nghiên cứu chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trong mạng ip

LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật này được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, nay công trình nghiên cứu đã hoàn thành, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Thầy giáo PGS.TS. Lê Hữu Lập đã tận tình hướng dẫn, gợi mở, tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Khoa Quốc tế và đào tạo sau đại học, cùng các đồng nghiệp đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành được đề tài nghiên cứu của mình. Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình, bạn bè đã thông cảm, động viên giúp đỡ cho tôi có đủ nghị lực để hoàn thành luận văn. Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những hạn chế. Kính mong các thầy cô và đồng nghiệp cho các ý kiến góp ý để tôi có thể hoàn chỉnh được kiến thức của mình, làm hành trang cho công việc sau này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hoà Bình, tháng 07 năm 2011 Đỗ Thanh Tâm 1 MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC HÌNH VẼ 7 DANH MỤC BẢNG BIỂU 7 LỜI MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG I 9 CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ MẠNG IP 9 0.1 Giới thiệu chung 9 1.2.1. Băng thông 9 1.2.2. Độ trễ 10 1.2.3. Biến động trễ 11 1.2.4. Tổn thất gói 12 1.2.5. Độ tin cậy 12 3.1.2. Sơ đồ cấu trúc mạng 39 3.1.3. Giao thức truyền tải MPLS 43 3.1.4. Giao thức định tuyến 43 3.2.1. Dịch vụ VoIP 43 3.2.1.1. Khuyến nghị của ITU-T 43 3.2.1.2. Khuyến nghị của Cisco 45 3.2.2. Dịch vụ IPTV 46 3.2.2.1. Khuyến nghị của ITU-T 46 3.2.2.2. Khuyến nghị của Cisco 47 3.3.2. Đề xuất giải pháp QoS 51 3.3.2.1. Đặt vấn đề 51 3.3.2.2. Khuyến nghị 52 3.3.2.3. Xây dựng các Profile QoS cơ bản và quy ước sử dụng DSCP 53 3.3.2.4. Network control profile 54 3.3.2.5. Reatime Voice profile 54 3.3.2.6. Realtime Video profile 54 3.3.2.7. Data 1 Profile (Crictical) 55 3.3.2.8. Data 2 Profile 55 3.3.2.9. Standard Profile 55 3.3.3. Các phép ánh xạ QoS 55 3.3.3.1. Ánh xạ các QoS profile vào DSCP code 55 3.3.3.2. Ánh xạ các dịch vụ/ứng dụng sang Diffserv 56 3.3.3.3. Ánh xạ từ Diffserv code sang MPLS EXP code 57 3.3.4. Cấu hình QoS trong MAN-E 57 3.4. Kết luận 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AF Assured Forwarding Chuyển tiếp đảm bảo API Application Programming Interface Giao tiếp lập trình ứng dụng ATM Asynchronous Transfer Mode Công nghệ dùng chế độ truyền không đồng bộ BA Behavior Aggregate Nhóm cùng nhu cầu ứng xử BB Bandwidth Broker Bộ điều phối băng thông BE Best-Effort Dịch vụ Best-effort trên mạng IP BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên BTV Broadband TV TV băng rộng CAC Connection Admission Control Điều khiển chấp nhận kết nối CES Carier Ethernet Switch Chuyển mạch Ethernet mức nhà cung cấp dịch vụ CDN CS1 DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình Host động DNS Domain Name System Hệ thống tên miền DSCP DiffServ Code Point Mã dịch vụ DiffServ DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer Bộ ghép kênh truy nhập đường dây thuê bao số tập trung EAC Endpoint Admission control Điều khiển chấp nhận tại điểm cuối ECN Explicit Congestion Notification Cảnh báo nghẽn tường minh EF Expedited Forwarding Chuyển tiếp nhanh E-LSP EXP-inferred-PSC LSP Phương pháp ánh xạ DiffServ vào MPLS mà PSC (Packet-Switch Capable) được định nghĩa theo từng 3 LSP. FIFO First In First Out Vào trước ra trước FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp tin HSI Hight Speed Internet Internet tốc độ cao IETF Internet Engineering Task Force Lực lượng chuyên trách kỹ thuật kết nối mạng IntServ Intergrated Service Kiến trúc dịch vụ tích hợp IP Internet Protocol Giao thức Internet DSLAM Digital Subcriber Line Access Multiplexer Bộ ghép kênh truy nhập đường dây thuê bao số tập trung. IPTV Internet Protocol TV TV giao thức Internet ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ internet IS-IS Intermediate system to intermediate system Giao thức định tuyến sử dụng trong mạng MAN-E ITU International Telecommunications Union Liên hiệp viễn thông quốc tế LAN Local Area Network Mạng nội bộ GoS GRED GRIP GSLB GW LCLSP Load Control Lightweight Signaling Giao thức báo hiệu điều khiển tải đơn giản. LDP LSP Label Switching Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn L-LSP Label – only-inferred-PSC LSP Phương pháp ánh xạ DiffServ vào MPLS mà PSC (Packet-Switch Capable) được định nghĩa theo từng PHB. L2VPN Layer 2 Virtual Private Network Mạng riêng ảo lớp 2 4 MAN-E Metropolitan Area Network Ethernet Mạng Metro Ethernet MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS TE MPLS Traffic Engineering Kỹ thuật lưu lượng MPLS MSAN MultiService Access Node Điểm truy nhập đa dịch vụ MTU NAP Network Access Point Điểm truy cập mạng NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau NSIS Next Steps In Signaling Nguyên lý báo hiệu thế hệ kế tiếp OAM OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến chọn đường ngắn nhất đầu tiên PATH PE-AGG PE/BRAS PHB PBAC Probe-Based Admission PCN Pre-Congestion Notification Phương pháp cảnh báo tiền nghẽn PLR PQ Priority Queuing Xếp hàng ưu tiên PQWFQ QNF QoS NSIS Forwarder Bộ chuyển tiếp theo QoS NSIS QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ RED Random Early Detection Giải thuật phát hiện sơm ngẫu nhiên RESV RMD Resource Management in DiffServ Phương pháp quản lý tài nguyên Rspec RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức giành trước tài nguyên 5 RTP SLA Service Level Agrement Mức thỏa thuận khách hàng SNMP SONET Synchronous Optical Networking Công nghệ nối mạng quang đồng bộ SP SSH STP TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải loại dịch vụ ToS Type of Service Loại dịch vụ Tspec Traffic Specification Đặc tả lưu lượng VN2PE VOD Video on Deman Video theo yêu cầu VoIP Voice Over IP Thoại trên nền giao thức Internet VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo XDSL WRED weighted Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên với gia trọng WFQ weighted Fair Queuing Xếp hàng cân bằng gia trọng U-PE User Provider Edge Device Thiết bị biên giữa nhà cung cấp và người dùng 6 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Băng thông khả dụng 10 Hình 1.2. Trễ tích luỹ từ đầu cuối tới đầu cuối 10 Hình 1.3. Trễ xử lý và hàng đợi 11 Hình 1.4. Tổn thất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra 12 Hình 2.1. Các cấp băng thông thường cung cấp cho mạng 15 Hình 2.2. Hàng đợi riêng cho các lưu lượng yêu cầu nghiêm ngặt về trễ và mất gói 16 Hinh 2.3. Mô hình dịch vụ IntServ 24 Hình 2.4. Kiến trúc IntServ 24 Hình 2.5. Cấu trúc logic của bộ điều chỉnh lưu lượng 29 Hình 2.6. Tổ chức của cơ chế lập lịch PQWFQ 30 Hình 3.1. Cấu trúc mạng 38 Hình 3.2. Mạng MAN-E Hải Dương 39 Hình 3.3. Mô hình ring 1 40 Hình 3.4. Mô hình ring 2 40 Hình 3.5. Mô hình ring 3 41 Hình 3.6. Mô hình ring 4 42 Hình 3.7. Sơ đồ khối chức năng của dịch vụ IPTV 49 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1 Bảng tham số về âm thanh của ITU-T 45 Bảng 3-2 Bảng tham số thoại của Cisco 46 Bảng 3-3 Các tham số video của ITU-T 47 Bảng 3-4 Bảng ma trận hai chiều 53 Chi tiết theo như bảng 3-5: 56 Bảng 3-5. Bảng ánh xạ QoS Profile sang DSCP 56 Bảng 3-6 Bảng ánh xạ từ Diffserv sang MPLS EXP 57 LỜI MỞ ĐẦU 7 Hiện nay mạng IP có vai trò thiết yếu trong lĩnh vực truyền thông, khái niệm mạng toàn IP (All IP) đã được nói đến nhiều trong những năm gần đây. Sự phát triển nhanh chóng của Internet đã làm cho mạng IP trở thành giao thức không thể thiếu và ngày càng quan trọng hơn. Trong khi đó, các nhu cầu về dịch vụ không còn đơn điệu như trước và trên thực tế các ứng dụng đòi hỏi QoS xuất hiện ngày càng nhiều. Những thành tựu gần đây của công nghệ truyền dẫn giúp cho băng thông khả dụng trên môi trường truyền dẫn vật lý gia tăng nhanh chóng, khả năng cung ứng đường truyền tốc độ cao cho đa dịch vụ hoàn toàn khả thi. Bối cảnh này đã đặt ra cho mạng IP nhiều thách thức mới, đòi hỏi mạng IP phải có các cơ chế QoS hoàn chỉnh để đáp ứng nhu cầu đa dịch vụ đang gia tăng. Chính vì điều đó tôi đã chọn đề tài của luận văn là: “Nghiên cứu chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trong mạng IP”. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu cấu trúc mạng IP, các tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ và các giải pháp cải thiện chất lượng dịch vụ mạng IP nói chung, từ đó đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cho mạng Man-E, nhằm đáp ứng được yêu cầu của nhà cung cấp mạng và yêu cầu của người dùng. Luận văn bao gồm 3 chương: Chương 1 : Các tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ mạng IP. Chương 2 : Các giải pháp chính cải thiện QoS trong mạng IP. Chương 3 : Chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trên mạng MAN-E. 8 CHƯƠNG I CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ MẠNG IP 0.1 Giới thiệu chung 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 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 là chủ đề quan trọng nhất. QoS là một thuật ngữ chỉ ra mức độ đảm bảo chất lượng số liệu được truyền nhận. Trong thực tế, QoS là cơ chế đảm bảo tín hiệu 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 yêu cầu của người dùng. 1.2. Các tham số đánh giá QoS Chất lượng dịch vụ được đánh giá qua bốn tham số đo lường chính là băng thông, độ trễ, độ biến động trễ và độ tổn thất gói. 1.2.1. Băng thông Băng thông biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được giữa 2 điểm kết nối đầu 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 là các liên kết. Lưu lượng vào mạng qua nút Vi và ra khỏi mạng ở nút Vj . Mỗi liên 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 D k thì kết nối được coi là khả dụng khi và chỉ khi R(i,j) ≥ D k . Một kết nối mới có thể được chấp nhận nếu tồn tại ít nhật một đường dẫn khả dụng giữa 2 nút Vi và Vj. Băng thông là tốc độ truyền thông tin được tính theo (bit/s). 9 Hình 1.1. 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. 1.2.2. Độ trễ 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 lũy). 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. Hình 1.2. Trễ tích luỹ từ đầu cuối tới đầu cuối 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 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 10 [...]... bảo dịch vụ: Cho phép giới hạn thời gian chuyển tiếp các gói dữ liệu đến đích trong một khoảng thời gian nhất định, đảm bảo dữ liệu không bị loại bỏ khi hàng đợi đầy Thông tin Tspec phải bao gồm các thông số như: tốc độ đỉnh, kích thước lớn nhất của gói dữ liệu Trong khi đó thông số quan trọng nhất của Rspec là tốc độ dịch vụ Thông số này cho phép xác định băng thông mà lưu lượng cần khi đi trong mạng. .. nguyên mạng có đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng hay không Nếu không thể đáp ứng, mạng sẽ từ chối • Phân lớp (Classification): Phân loại gói dữ liệu căn cứ vào mức yêu cầu chất lượng dịch vụ của gói • Hàng đợi và lập lịch (Queuing and scheduling): đưa gói dữ liệu vào hàng đợi tương ứng và quyết định huỷ gói dữ liệu nào khi xảy ra xung đột 2.3.1 Các lớp dịch vụ: 22 Có hai lớp dịch vụ: đảm bảo dịch vụ (Guaranteed... phạm vi kiểm soát của nhà cung cấp dịch vụ mạng, nên các cân nhắc cải tiến IP QoS thường chỉ đề cập đến góc độ ảnh hưởng của mạng 14 CHƯƠNG II CÁC GIẢI PHÁP CHÍNH CẢI THIỆN QoS TRONG MẠNG IP 2.1 Phương thức cơ bản cung ứng QoS trong mạng IP: Phần lớn các mạng hiện hữu đều được thiết kế cho các ứng dụng số liệu và chưa đáp ứng tốt các yêu cầu của ứng dụng thời gian thực nên QoS đều phải được thiết kế... phải thực hiện nhiệm vụ dò tìm phức tạp 18 MPLS mang lại một số ưu điểm khác cho các mạng dựa vào IP bao gồm đảm bảo QoS gần như RSVP 2.2 Các cơ chế kiểm soát chất lượng phổ biến trong mạng IP: Cho đến 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 hoá các dịch. .. với các thông số trong Rspec cho phép xác định thời gian trễ lớn nhất có thể chấp nhận được của dữ liệu Nhược điểm của lớp dịch vụ này là hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng thấp vì nó đòi hỏi mỗi luồng lưu lượng có hàng đợi riêng 2.3.1.2 Kiểm soát tải: Các ứng dụng của dịch vụ này có thể chấp nhận khả năng mất dữ liệu và thay đổi độ trễ ở một mức độ nhất định Luồng dữ liệu khi đi vào mạng sẽ được kiểm... Mặt khác, lưu lượng RSVP có thể đi qua bộ định tuyến không hỗ trợ RSVP Tại những bộ định tuyến này dịch vụ được phục vụ theo mô hình nỗ lực tối đa Nói tóm lại, RSVP đóng vai trò quan trọng trong quá trình triển khai việc chuyển tải nhiều dịch vụ như: âm thanh, hình ảnh, và dữ liệu trong cùng một hạ tầng mạng Các ứng dụng có thể lựa chọn nhiều mức chất lượng dịch vụ khác nhau cho luồng lưu lượng của mình... tài nguyên mạng cho việc truyền dữ liệu Khối điều khiển thu nhận sẽ xem xét có thể đáp ứng được các yêu cầu mà dịch vụ đưa ra hay không Bộ phân loại tiến hành phân loại và đưa các gói dữ liệu nhận được vào hàng đợi riêng Bộ lập lịch sẽ lập cách xử lý để đáp ứng yêu cầu về chất lượng dịch vụ Hình 2.4 Kiến trúc IntServ Trong hình vẽ, ở bước 1, các ứng dụng đưa ra yêu cầu mức chất lượng dịch vụ dành cho... vọng ở mỗi một trong số 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 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 quá trình xử lý truyền tin và giảm QoS nhận được Với các ứng dụng thời gian thực, sự truyền... cầu chất lượng dịch vụ mà ứng dụng đưa ra hay không Nếu được, bộ định tuyến sẽ dựa vào thông tin trong bản tin RSVP để cấu hình cho bộ điều khiển lưu lượng Chúng ta đã xem xét kiến trúc của mô hình tích hợp dịch vụ cũng như một giao thức rất quan trọng RSVP Mô hình này cho phép triển khai các ứng dụng thời gian thực và lưu lượng truyền thông trên cùng một hạ tầng mạng 2.4 Mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ:... cậy tốt hơn dịch vụ BestEffort - Olympic Service cung cấp bộ ba dịch vụ gồm vàng, bạc và đồng với chất lượng dịch vụ của vàng là tốt nhất và đồng là thấp nhất Kiến trúc DiffServ chỉ định nghĩa các mã DSCP ghi trong trường ToS và các PHB Còn dịch vụ cụ thể như thế nào là do các nhà cung cấp dịch vụ quy định DiffServ khác đáng kể so với IntServ Thứ nhất, nó chỉ có một số giới hạn các lớp dịch vụ được chỉ . luận văn là: Nghiên cứu chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trong mạng IP . Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu cấu trúc mạng IP, các tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ và các giải. Các tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ mạng IP. Chương 2 : Các giải pháp chính cải thiện QoS trong mạng IP. Chương 3 : Chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trên mạng MAN-E. 8 CHƯƠNG I CÁC. pháp cải thiện chất lượng dịch vụ mạng IP nói chung, từ đó đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cho mạng Man-E, nhằm đáp ứng được yêu cầu của nhà cung cấp mạng và yêu cầu