Đánh giá hiệu năng của cơ chế quản lý hàng đợi ared và nlred

Kĩ thuật quản lý hàng đợi trước đây là thiết lập một kích thước hàng đợi lớn nhất cho mỗi hàng đợi, các gói sẽ được đưa vào trong hàng đợi cho đến khi hàng đợi đầy sau đó nếu còn có gói

Trang 1

BO GIAO DUC VA DAO TAO DAI HOC HUE

TRUONG DAI HOC KHOA HOC

NGUYEN HONG VY

DANH GIA HIEU NANG CUA CO CHE

QUAN LY HANG DOI ARED VA NLRED

LUAN VAN THAC SI KHOA HOC CONG NGHE THONG TIN

Thira Thién Hué, 2020

Trang 2

BO GIAO DUC VA DAO TAO ĐẠI HỌC HUE TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYEN HONG VY

DANH GIA HIEU NANG CUA CO CHE QUAN LY HANG DOI ARED VA NLRED

CHUYEN NGANH: KHOA HOC MAY TINH MA SO: 8480101

LUAN VAN THAC Si KHOA HOC DINH HUONG UNG DUNG

NGUOI HUONG DAN KHOA HOC PGS.TS VO THANH TU

Thira Thién Hué, 2020

Trang 3

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Tất cả số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chưa được người khác công bố trong bất cứ một công trình nghiên cứu nào

Học viên

Trang 4

được lưu giữ trong các cấu trúc đó Khi các gói đến giao diện đầu vào của một router thì router sẽ so sánh phần thông tin trong phần header của gói tin với các thông tin trong bảng FIB Tai day các gói sẽ được phân loại dựa theo thông tin trong các trường đã nêu phần trước đề thực hiện các xử lý phù hợp: như định hướng các gói tới chặng tiếp theo, bắt giữ, hay dánh dấu các gói để trong trường hợp có xảy ra tắc nghẽn thì sẽ loại bỏ các gói có độ ưu tiên thấp hơn Các gói sau đó được đưa tới các hàng đợi để chờ gửi tới đầu ra tương ứng

1.3.3.2 Lép Quan ly hang doi (Queue management)

Các router chính trong mạng Internet được cấu hình có nhiều hàng đợi với kích thước lớn, do đó các gói truyền trong mạng sẽ phải mất một thời gian dài để truyền trong hàng đợi Trễ hàng đợi thậm chí còn lâu hơn cả trễ truyền trong mạng Đối với các hàng đợi quá dài, khi xảy ra tắc nghẽn thì chính sách “loại bỏ phần đuôi” được sử dụng nhiều Điều này có nghĩa là bất kì gói nào đến trong điều kiện hàng đợi bị

đầy đều bị loại bỏ trước khi vào được hàng đợi Vấn đề đặt ra là làm thế nào khi có

tắc nghẽn xảy ra Để giải quyết vấn để này †a sử dụng các thuật toán quản lý hàng đợi và lập lịch

Nói đơn giản thuật toán quản lý hàng đợi được sử dụng để quản lý chiều dài của hàng đợi các gói bằng cách loại bỏ các gói khi cần thiết

Quản lý hàng đợi bao gồm các hoạt động: Thêm gói vào hàng đợi theo ngữ cảnh

của gói khi hàng đợi chưa đây; Loại bỏ gói nếu hàng đợi đã đầy; Xoá bỏ gói khi được

yêu cầu bởi bộ lập lịch; Thường xuyên quản lý độ chiếm giữ của hàng đợi; Loại bỏ gói

khi hàng đợi đã đầy; Đánh dấu các gói khi hàng đợi chuẩn bị đây

Mục đích chính của hàng đợi là điều khiển lưu lượng, chống tắc nghẽn trong mạng, đặc biệt là tại các nút cổ chai Kĩ thuật quản lý hàng đợi trước đây là thiết lập một kích thước hàng đợi lớn nhất cho mỗi hàng đợi, các gói sẽ được đưa vào trong hàng đợi cho đến khi hàng đợi đầy sau đó nếu còn có gói đến thì sẽ loại bỏ các gói mới tới này Khi số lượng các gói trong hàng đợi giảm do được truyền tới chặng tiếp theo

Trang 5

MUC LUC

Trang

0909.0609907 i

LỜI CẢM ƠN 20 2221 2211222122211222121112211 211212212121 eerre ii MUC LUC 0oeeecccoecceseesssessssessssssesssessviesvsssssesesisssnsassntsnsssisesiieessiesssiesssiessiesssieesnesess iii

DANH MỤC CÁC BẢNG 2225 221222122212212211222222222222222 ra Vv DANH MỤC CÁC HÌNH - 2-22 222222122122112112211211211221212212 re vi DANH MUC CAC TU VIET TAT ooo cco ccee cee seeese eee eeeteetetetetetteeneseneeeeees viii

MỞ ĐẦU - 2252225 2221221112211211211221122111211211121 21121211 eere 1

Chuong 1 TRUYEN TAI DU LIEU VA TAC NGHEN TRONG QUA TRINH TRUYỂN TẢI DỮ LIỆU 552 22222212221122122212212112112122122222221 re 4

1.1 Tổng quan truyền tải đữ liệu trên môi trường mạng ©22-22222zc2zxcsze2 4 1.1.1 Tổng quan mạng Infernet 2-22 22s2221222122212221211221122121221222 2 ae 4 1.1.2 Cách thức truyền tải dữ liệu trên hệ thống mạng cece cece 3 1.2 Chất lượng:đïich:vu mang (QO 5) trong BuiEDIEIIGBIISIIGDNGIDISORIEEERONIEEEIGĐISENGBR- 7 1.2.1 Các loại dịch vụ trên Infernet c2 1112211112211 1152111111111 12211 1xx 7

1.2.2 Chất lượng các loại dịch VỤ St t1 nhà Hà HH HH Hee 8

1.2.3 Nâng cao chất lượng dịch VỤ - cc cc cha Hrhrereere 9

1.2.4.Các mô hình chất lượng dịch vụ (Qo8) -5222222222221221222E e6 14 1.3 Truyền tải đữ liệu và kiểm soát tắc nghẽn trongtruyén tải đữ liệu tai bộ

định tuyến 52-222 22222212211221122112111211122112211211212121222222222re 17 1.3.1 Chức năng của bộ định tuyến .-22- 22 22222212221222122121 222 xee 17

1.3.2 Cầu trúc thiết bị định tuyến 2-222222222122112212112122.22 xe 17 1.3.3 Cầu trúc CQS trong bộ định tuyến .-2-222222222222212222222 e6 19

1.3.4 Điều khiến tắc nghẽn trong bộ định tuyến -©22222222222212221222ee 23

1.4 Tiểu kết chương Ì -©222222222221112211211121112111211211221222 re 27 Chương 2 KIỂM SOÁT TAC NGHEN VOI CO CHE QUAN LY HANG DOI TÍCH CỰC - 52-52 2122222212211211211221121121121121211211211111211211121121212 ra 28

2.1 Cơ chế quản lý hàng đợi trong bộ định tuyến cece cece eects eee 28

Trang 6

2.1.2 Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực -22-22222222212221222122222.2 e6 30

2.1.3 Ưu điểm của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực -2222222c22zc22ee 31 2.1.4 Phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực -22222zc22zce 32

2.2 Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED 2252 2222212221221222222.2.2 e6 33

2.2.1 Nguyên lý hoạt động - i21 12h tà HH Hee 34

2.2.2 Mục tiêu xây đựng cơ chế RED 22222 2211221122122122121.22 e0 34

Øì7.3,:GII8i/fiuRltog chế RE Tossennnsenniindttidogitdirtogtilta00300G0100100003G88100308g 35

2.3 Một số cơ chế cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED 37 2.3.1 Cơ ché quan ly hang doi ARED (Adaptive Random Early Detection) 37 2.3.2 Cơ chế quan ly hang doi NLRED (NonLinear Random Early Detection) 43

2.4 Tiểu kết chương 2 -22222212211221221112112112211221122112212222222 re 46 Chương 3 CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 48

3.1 Phần mềm mô phỏng mạng NS2 22 222222 2212221121112211211122121121 2x6 48 3.2 Mô phỏng các cơ chế quản lý hàng đợi cải tiến - 2222222 222222122122126 50 3.3 Phân tích và đánh giá hiệu năng - c3 c3 t2 x32 nhà 33

3.3.1 Tỉ lệ loại bỏ gói tin của các cơ chế -222222222122122122122 ca 53

3.3.2 Độ trễ truyền tải gói tin của các cơ chế -222222221222122122 e6 55 3.3.3 Kích thước hàng đợi theo thời gian của các cơ ChE eee 57 3.3.4 Thông lượng truyền tải gói tin của các cơ chế -22s22xc22xc2zxcee 59

3.4 Tiểu kết chương 3 - 22 222222221121122111211121112112112112122222 re 60 159 WOLF eeree 62

Trang 7

DANH MUC CAC BANG

Trang 8

Độ trễ truyền tải gói tin của các cơ chế được đánh giá có mức độ biến thiên tương đương nhau, đều có mức biến thiên độ trể khoảng 0,3s đến 0,4s Tuy nhiên, vào giai đoạn đầu của các kịch bản, cơ chế NLRED và cơ chế RED có độ trễ giao động và biến thiên lớn hơn các cơ chế ARED

Về mức độ sử dụng hàng đợi của các cơ chế, các cơ chế có mức độ sử dụng hàng đợi tương đương nhau và tuỳ thuộc vào số lượng kết nối, lưu lượng truyền tải

Các cơ chế RED, ARED và NLRED có mức độ sử dụng băng thông tương đương nhau trong 2 kịch bản có 10 điểm kết nối và 20 điểm kết nối, tuy nhiên trong kịch bản có 50 điểm kết nối, cơ chế ARED có mức độ sử dụng băng thông thấp hơn

Trang 9

Hinh 3.10 Hinh 3.11 Hinh 3.12 Hinh 3.13

Trang 10

DANH MUC CAC TU VIET TAT

ACK Acknowledgement

AQM Active Queue Management

ARED Adaptive Random Early Detection

ARPANET Advanced Research Project Agency Network CQS Classification - Queue management — Schedular

DIFFSERV Differentiated Services Model

ECN Explicit Congestion Notification

ETSI The European Telecommunications Standards Institute FIFO Fist in fist out

FTP File Transfer Protocol

FQ Fair queue

INTERNET Mạng toàn cầu

IP Internet Protocol

ISP Internet Service Provider

NLRED NonLinear Random Early Detection

NS2 Network Simolution 2

NSFNET National Science Foundation Network

PQ Priority queue

QoS Quality of Service

RED Random Early Detection

REM Random Exponential Marking

Trang 11

MO DAU

Sự tắc nghẽn trong mạng có thể xây ra khi tải trên mạng lớn hơn thông lượng thiết kế của mạng dẫn đến hiệu suất truyền tải của hệ thống mạng giảm Ngày nay, khi mạng Internet phát triển mạnh mẽ, số lượng người dùng tăng nhanh chóng dẫn đến nhu cầu truyền tải dữ liệu cao hơn so với tài nguyên hiện có, từ đó hiện tượng tắc nghẽn thường xuyên xây ra, gây ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống mạng Hiện tượng tắc nghẽn gây ra nhiều vấn đẻ, chẳng hạn như mất mát dữ liệu, độ trễ cao, lãng phí các nguồn tài nguyên và những vấn đề khác

Nhằm giảm tải tắc nghẽn và nâng cao hiệu suất mạng khi tắc nghẽn xảy ra các kỹ thuật quản lý hàng đợi tại bộ định tuyến đã được sử dụng Kỹ thuật quản lý hàng đợi truyền thống Drop-Tail [7] được sử dụng trong Internet dé quan lý độ dài hàng đợi của bộ định tuyến, Drop-Tail đặt độ dài tối đa (về các gói) cho mỗi hàng đợi, chấp nhận các gói đến cho hàng đợi cho đến khi đạt độ dài tối đa, sau đó loại bỏ tất cả các gói đến tiếp theo cho đến khi hàng đợi giảm (khi các gói tir trong hang doi đã được truyền đi) Nhưng nó có hai nhược điểm quan trọng là vấn đề về lock-out (khố luồng), ln duy trì hàng đợi đầy làm cho độ trễ hàng đợi trong thời gian dài, và vấn đề đồng bộ hóa TCP, tức nhiều kết nối TCP có thé mat gói tin và giảm tốc độ gửi đồng thời Điều này dẫn đến hiệu năng sử đụng liên kết thấp Đề tránh trường hợp này, một kỹ thuật

gọi là Quản lý hàng đợi tích cực (AQM) [2][10] đã được triển khai Bằng cách loại bỏ

các gói trước khi bộ đệm tràn, quản lý hàng đợi tích cực cho phép các bộ định tuyến

kiêm soát thời điểm và số lượng gói tin sẽ bị loại bỏ

Trang 12

thật sự xây ra Nói cách khác, những giải thuật AQM có thể giúp những hệ thống mạng có một cơ chế điều khiển sự tắc nghẽn nhanh hơn và hiệu quả hơn

Các vẫn đề chính trong thiết kế thuật toán AQM là làm thế nào để xác định mức độ tắc nghẽn của các liên kết và cách xác định các gói cần loại bỏ Trong các thuật toán AQM hiện tại, tắc nghẽn của các liên kết có thể được ước tính thông qua chiều đài hàng đợi trung bình, tốc độ đầu vào, sự kiện tràn hàng đợi hoặc hàng đợi trống hoặc kết hợp các phương pháp đó Trong số đó, chiều đài hàng đợi là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất như cơ chế quản lý hàng đợi RED [3][4] và ARED [8][11] kiểm soát tải nap duoc st dung trong BLUE [5] để ước tính mức độ tắc nghẽn liên kết, hoặc REM [6] sử dụng chiều dai hàng đợi và tốc độ đầu vào (tải nạp) để ước tính tắc nghẽn các liên kết Hiện nay, nhằm nâng cao hơn nữa hiệu năng của các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực, đã có nhiều nghiên cứu cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực từ đó đem lại hiệu quả ngày càng cao trong việc nâng cao hiệu suất mạng cho hệ thống mạng hiện nay

Trang 13

và một trong số đó là không có khả năng đối phó với lưu lượng truy cập bùng nỗ [11I4][8]I9][11] vẫn không đem lại hiệu quả cao trong việc ngăn ngừa mất gói

Từ các vấn đề điển hình của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực dựa trên chiều dài hàng đợi, Luận văn “Đánh giá hiệu năng của cơ chế quản lý hàng đợi ARED và NLRED” tién hành tìm hiểu về cách thức truyền tải dữ liệu trên Internet, về các phương pháp quản lý hàng đợi, quản lý hàng đợi tích cực tại các bộ định tuyến Đồng thời đề tài tiến hành nghiên cứu, phân tích chỉ tiết cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED và một số cơ chế cải tiến của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED trên môi trường mạng nhiều luồng (ARED, NLRED) Đề đánh giá, kiểm chứng các cải tiến, dé tài thực hiện mô phỏng, phân tích, so sánh và đánh giá hiệu năng các cơ chế đã tìm hiểu, nghiên cứu trong mạng có nhiều luồng đến ở các mô hình mạng khác nhau để đưa ra đánh giá, nhận xét

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu lý thuyết về các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực dựa trên các tài liệu, giáo trình hiện có, đồng thời nghiên cứu các công trình cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED trên mạng có nhiều luồng đến (ARED, NLRED) đã công bố trên thế giới trong thời gian qua Luận văn sử đụng phần mềm mô phỏng mạng NS2 để mô phỏng các cơ chế đã tìm hiểu, phân tích trên môi trường mạng nhiều luồng đến để đưa ra sự so sánh, phân tích đánh giá hiệu năng của mỗi cơ chế

Trang 14

Chuong 1 TRUYEN TAI DU LIEU

VA TAC NGHEN TRONG QUA TRINH TRUYEN TAI DU LIEU

Chương l của luận văn mô tả tổng quan về mạng Internet, cách thức truyền tải dữ liệu giữa các máy trạm và hệ thống với nhau Tìm hiểu, mô tả chất lượng dịch vụ mạng, các tiêu chí đánh giá chất lượng mạng từ đó phân tích đưa ra các nguyên nhân gây tắc nghẽn, đưa ra các nguyên lý, kỹ thuật điều khiến tắc nghẽn

1.1 TONG QUAN TRUYEN TAI DU LIEU TREN MOI TRƯỜNG MẠNG

1.1.1 Téng quan mang Internet

Năm 1967, Robert L G đã đề xuất một mạng máy tính thí nghiệm, sau đó trở thanh mang ARPANET (Department of Defense Advanced Research Projects Agency Network) cia Bộ Quốc phòng Mỹ Ngay từ năm 1967 người ta đã nhận ra rằng các mạng này sẽ là những tài nguyên tính toán quý giá, đem lại nhiều lợi ích cho Bộ Quốc phòng Mỹ cũng như cho cộng đồng khoa học, nếu chúng cung cấp các dịch vụ truyền thông, cho phép truy cập từ xa tới tất cả tài nguyên của hệ thống

Năm 1969, Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai thực hiện mạng ARPANET với hãng

BBN (Bolt, Beranek, and Newman) Đến tháng 9 năm 1969, mạng máy tính chuyên mạch gói đầu tiên trên thế giới ra đời, kết nối mạng của các trường đại học, các trung tâm nghiên cứu của chính phủ và của các hãng công nghiệp trên khắp nước Mỹ

Trong quá trình nghiên cứu và triển khai mạng ARPANET, nhiều tư tưởng và phương pháp mới lần đầu tiên được đề xuất và đưa vào thực hiện, trong đó có giao thức, mạng lưới (Mesh Network), điều khiển lưu lượng (Flow Control) và đặc tính chịu lỗi Với các đặc tính này, mạng vẫn có khả năng hoạt động được khi có một số nút hoặc đường truyền bị hỏng mà không cần sự can thiệp của người điều hành Ngoài ra, những người nghiên cứu và thực hiện mạng ARPANET cũng đã sử dụng một cách phô biến các mô hình giải tích và mô hình mô phỏng đề dự đoán và đánh giá hiệu suất mạng

Trang 15

mạng, đo đó cần phải có các mô hình kiến trúc mới, có khả năng liên kết nhiều mạng với nhau một cách trong suốt Kiến trúc mới này được gọi là mô hình tham

chiếu TCP/IP

1.1.2 Cách thức truyền tải dữ liệu trên hệ thống mạng

Các mạng máy tính hiện đại được thiết kế bằng cách phân chia cầu trúc ở mức độ cao nhằm làm giảm độ phức tạp của việc thiết kế; mạng được chia thành các tầng (layer), hay còn gọi là mức hoặc lớp, mỗi tầng được xây dựng dựa trên tầng bên dưới nó Trong các mạng khác nhau, số tầng, tên, nội dung và chức năng của các tầng có thé khác nhau Tuy nhiên, mỗi tầng trên sử dụng các dịch vụ do các tầng bên đưới cung cấp và cung cấp những dịch vụ nhất định cho các tầng cao hơn, sao cho các tầng này khi sử dụng các dịch vụ đó không cần phải quan tâm tới các thao tác chi tiết mà các dịch vụ phải thực hiện

Để các mạng máy tính khác nhau có thể truyền thông tin với nhau, chúng cần phải tuân theo các chuẩn Người ta đã xây đựng nên các chuẩn như vậy và chúng còn được gọi là mô hình tham chiếu, làm cơ sở chung cho các nhà thiết kế dựa vào khi thiết kế mạng

Hình 1.1 mô tả việc truyền và nhận dữ liệu của TCP/IP thông qua các tầng giữa 2 máy tính A và B Trong đó máy tính A (Host A) gửi dữ liệu cho máy tính B (Host B) Host B Tầng ứng dụng Data (Stream) Data (Stream) Tầng ứng dụng,

Ting giao vận Seg Segment

Trang 16

Mô hình mạng (hay giao thức) TCP/IP gồm 4 tầng: tầng ứng dụng (Application Layer), tầng giao vận (Transport Layer), tầng liên mạng (Internet Layer) và tầng truy cập mạng (Network Access Layer), thông tin muốn gửi đi được chia thành các đơn vị dữ liệu nhỏ gọi là gói tin và được truyền tải lần lượt qua các tầng:

Tầng ứng dụng: Bao gồm các tiến trình và các ứng dụng, cung cấp cho người dùng các giao diện để sử dụng Internet Trong tầng ứng dụng, các luồng đữ liệu gọi là các Stream Để truyền đữ liệu giữa 2 máy trên mạng, các Stream tại tầng ứng dụng được truyền xuống tầng giao vận

Tầng giao vận: Tại tầng giao vận các Stream được chia thành các gói tin và gắn thêm phần đầu (Header) chứa các thông tin của tầng giao vận Các gói tin ở tầng này được gọi là Segment TCP Header chứa các thông tin ở tầng giao vận, trong đó, các thông tin điều khiển của TCP gồm có: Cổng máy gửi (Source Port), công máy nhận (Destination Port), số thứ tự gói tin (Sequence Number), thứ tự gói tiếp theo máy nhận cần (Acknowledment Number), kích thước cửa số gửi (Windows size), kích thước phần đầu của gói tin (Offset), các cờ điều khiến (Flags), kiểm tra lỗi (Checksum) trong quá trình truyền thông

Tầng liên mạng: Các Segment từ tầng giao vận chuyển xuống tầng liên mạng được chia thành các gói và gắn thêm phần chứa các thông tin liên mạng Các gói tin ở tầng này được goi la cdc Datagram, thong tin điều khiển của giao thức IP (IP Header) được gắn vào gói tin, trong đó có các thông tin: phiên bản (Version), chiều dài phần đầu gói tin (Header length), loai dich vu (ToS: Type of Service), tổng chiều dài của gói tin (Total lengh of Datagram), thoi gian tồn tại gói tin (Time to live), giao thức ở tang ké tiép (Protocol), địa chỉ máy gửi (Source Address) và địa chỉ máy nhận (Destination Address) để định tuyến và chuyển gói tin đến đúng máy nhận

Trang 17

1.2 CHAT LUONG DICH VU MANG (QoS)

Chat luong dich vu (Quality of Service) là một khái niệm rộng và có thể tiếp cận theo nhiều hướng khác nhau Có thể hiểu chất lượng dịch vụ là tập hợp các khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thỏa mãn của người sử dụng

đối với dịch vụ Một cách nhìn nhận khác đó là chất lượng địch vụ 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 gồm cả việc phân loại các dịch vụ và hiệu năng tông thể của mạng cho mọi loại dịch vu [1]

1.2.1 Các loại dịch vụ trên Internet

Mạng Internet cung cấp nhiều loại dịch vụ hết sức đa đạng và phong phú, với sự phát triển hết sức nhanh chóng của nó đã chứng tỏ điều đó Mỗi loại dịch vụ có thể được cung cấp bởi một hoặc nhiều máy phục vụ (Server), người sử dụng dịch vụ (Client) truy nhập vào máy phục vụ để sử dụng các loại dịch vụ mà máy phục vụ cung cấp Tuy rất đa dạng song chúng phát triển đều dựa trên một số dịch vụ cơ bản sau:

- Dịch vụ đăng nhập tir xa (Telnet): Dịch vụ này cho phép người sử đụng có quyển đăng nhập từ xa vào hệ thống từ một thiết bị đầu cuối nảo đó ở trên mạng Kết nối Telnet là một kết nối si dung TCP dé truyền dữ liệu và thông tin điều khiển Nó thường sử dụng công 23 Hoạt động của Telnet dựa trên giao tiếp khách chủ (Client-Server)

- Dịch vụ truyền tập tin FTP (Fle Transfer Protocol): Là loại dịch vụ cơ bản và phổ biến trên mạng Intemet Dịch vụ FTP cho phép chuyển các tập tin dữ liệu giữa các máy tính khác nhau trên mạng, nó hỗ trợ tất cả các loại tập tin Dịch vụ FTP thường sử dụng cổng 20 và 21 và chỉ chạy trên nên TCP Mục đích của dịch vụ FTP là khuyến khích việc dùng chung các tập tin, sử dụng năng lực của máy tính ở xa một cách gián tiếp, truyền tải đữ liệu một cách tin cậy và hiệu quả Hoạt động của FTP dựa trên giao tiếp khách chủ Với cấu hình máy phục vụ FTP, người ta có thể quy định quyên truy cập của người str dung

Trang 18

- Dịch vụ thư điện tử: Còn được gọi là Email (Electronic Mail), đây là loại dịch vụ thông dụng nhất trên mạng Một hệ thống thư điện tử thường chia làm 2 phần: Phần thứ nhất làm nhiệm vụ tương tác với người sử dụng soạn thư, lưu và gửi thư Phần thứ 2 làm nhiệm vụ định tuyến, xử lý các thư đến từ hệ thống của người sử dụng sao cho các thư đó đến được đúng đích

- Dịch vụ truyền âm thanh và hình ảnh

- Dịch vụ World Wide Web: Còn gọi là www hay Web, đây là loại dịch vụ tích hợp, đễ sử dụng và hiệu quả nhất trên Internet Web thường được soạn thảo bằng ngôn ngữ HTML Hoạt động của nó cũng dựa trên giao tiếp khách chủ Cổng thường dùng cho địch vụ này là cổng 80 Dịch vụ Web phát triển nhanh chóng và nó góp phần làm cho mạng Internet phát triển một cách mạnh mẽ như hiện nay

Ngày nay dịch vụ trên Internet rất phong phú và đa dạng, phần lớn các loại dịch vụ trên Internet đều tích hợp các loại dịch vụ trên nhằm khai thác một cách hiệu quả kho thông tin không lỗ trên mạng Internet

1.2.2 Chất lượng các loại dịch vụ

Người sử dụng mạng Internet ngày càng nhiều, sự đòi hỏi chất lượng địch vụ ngày càng khắc khe hơn Hai vấn đề được quan tâm nhất hiện nay là sự bảo mật và đáp ứng nhanh chóng các yêu câu của người sử dụng

Các nhược điểm của dịch vụ Telnet, FTP ở dạng nguyên thủy như: không mã hóa dữ liệu trước khi truyền tải, thiếu nghi thức xác nhận người dùng Dịch vụ thư điện tử không cung cấp khả năng chứng thực người gửi Do vậy để bị kẻ xấu lợi dung dé an cắp mật khẩu, truy nhập vào hệ thống một cách trái phép hoặc gửi thư “rác” gây khó khăn trong việc sứ dụng Internet Những điểm yếu này đã và đang được khắc phục một cách nhanh chóng bằng việc khắc phục những sơ hở của các giao thức

Trang 19

1.2.3 Nâng cao chất lượng dịch vụ

Đề nâng cao chất lượng dịch vụ ngoài việc tăng cường các chế độ bảo mật, nâng cấp phần cứng như tăng khả năng truyền dẫn của đường truyễn, tăng tốc độ xử lý của CPU, tăng khả năng xử lý của bộ định tuyến, người ta còn phải có đưa ra chiến lược kiểm soát lưu thông trên mạng một cách phủ hợp

Kiểm soát lưu thông trên mạng Internet là vấn đề hết sức phức tạp, phụ thuộc rất nhiều vào chiến lược cấp phát tài nguyên và điều khiến truyền thông trên mạng Khi tài nguyên phần cứng của mạng hạn chế, nếu chiến lược điều khiển truyền thông không phù hợp có thể làm cho mạng hoạt động một cách chậm chạp Khi số lượng gói tham gia lưu thông trên mạng vượt quá khả năng quản lý của mạng một số gói tin sẽ không đến được đích, thậm chí không có gói tin đến được đích, khi đó sự nghẽn mạng Xảy ra, sự trao đổi thông tin mạng sẽ hoàn toản tê liệt Chiến lược điều khiển truyền thông bao gồm việc tận dụng đường truyền, tránh tắc nghẽn, nếu mạng bị tắc nghẽn nhanh chóng đưa mạng về trạng thái hoạt động bình thường

Việc nâng cao chất lượng dịch vụ phụ thuộc rất nhiều vào kiểm soát lưu thông trên mạng, trong đó chiến lược điều khiển truyền thông đóng vai trò rất quan trọng Nếu chiến lược điều khiến lưu thông tốt thì sẽ tận dụng tốt được tài nguyên phần cứng của mạng, giảm nguy cơ tắc nghẽn Giao thức TCP/IP, trong thời gian dài đã chứng tỏ việc điều khiển truyền thông rất tốt, nhưng trong thời gian gần đây đã tỏ ra có nhiều hạn chế khi thông lượng đường truyền tăng cao

Trang 20

Mang IP đã thực thi nhiễu loại dịch vụ mạng khác nhau từ mạng điện thoại Đầu tiên, mang IP được thiết kế để mang dữ liệu, không giống vi voice, di liệu không phải là dịch vụ thời gian thực Dữ liệu co thể được lưu trữ trên mạng và phát lại sau

Nếu dữ liệu đã phát lại bị lỗi, thì nó có thể được truyền lại Đôi khi các dịch vụ truyền

dữ liệu được để cập đến như là dịch vụ “lưu và chuyển tiếp”

Chất lượng của các ứng dụng thoại phụ thuộc vào chất lượng đường truyền kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối, dấu hiệu của tín hiệu thoại không được đảm bảo chất lượng thường gặp như truyền lỗi, nhiễu tín hiệu, tiếng vọng

Trang 21

1.2.3.1 Các yêu cầu và một số cách tiếp cận để đánh giá QoS trong mạng IP

Mỗi ứng dụng đều có đặc tính riêng của nó, do đó để xác định được yêu cầu chất lượng dịch vụ, hệ thống thường nhận biết dựa trên các lớp dịch vụ Theo ETSI để xuất các lớp dịch vụ QoS như sau: Bảng 1.2 Các lớp dịch vụ QoS Lớp QoS Thành phần Các đặc tính QoS

Hội thoại thời gian thực Nhạy cảm với trê và độ biên thiên trê Thoại, Audio, video, - , (thoại, video, hội nghị (jitter), có giới hạn lôi và tôn thât gói,

đa phương tiện , „ ,

video) tôc độ bít thay đôi và cô định

` Trê và Jiter có sai sô nhât định, sai sô Luông thời gian thực Audio, video, đa , - ; ở

nhỏ đôi với lôi và tôn thât, tôc độ bit

(quảng bá) phương tiện

thay đổi

Tương tác cận dữ liệu ¬ Đa

Nhạy cảm với trê, Jiter và mât gói, tôc thời gian thực (trình Dữ liệu độ bít thay đôi duyệt Web) Phi thời gian thực Không nhạy cảm với trễ và Jitter, nhạy Dữ liệu - (Email) cảm với lôi

Hướng tiếp cận của ETSI tập trung vào các dịch vụ trên mạng IP để phân ra các loại dịch vụ yêu cầu thời gian thực và không yêu cầu thời gian thực

1.2.3.2 Các yêu cầu chức năng chung của IP QoSŠ

Để cung cấp chất lượng dịch vụ mạng IP phải thực hiện hai nhiệm vụ cơ bản: - Nhiệm vụ 1: Phân biệt các luồng lưu lượng hoặc các kiểu dịch vụ để người sử dụng đưa các ứng dụng vào các lớp hoặc các luồng lưu lượng phân biệt với các ứng dụng khác Nhiệm vụ này thường được thực hiện bởi thiết bị của người sử dụng mạng và tại giao diện giữa mạng và mạng

Trang 22

các công nghệ mạng, nó thé hiện cac dac diém uu viét va nhuoc diém cua cac giai pháp công nghệ khác nhau Nhiệm vụ 1 Phân phối gói Đánh dấu gói tin tin Các gói tin đi vào Định hướng | Chính sách lưu > | Quản lý hàng lưu lượng

lượng đợi Vv Lập lịch gói tin >

Các gói tin đi ra Nhiệm vụ 2

Hình 1.2 Các khối chức năng bảo đâm QoS trên các bộ định tuyến mạng

Hình 1.2 chỉ ra các yêu cầu chức năng được thể hiện trong các bộ định tuyến IP Bộ định tuyến IP trên hình vẽ thể hiện dưới góc độ các khối chức năng được 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 tin và phân loại gói tin, 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, lập lịch gói tin và chia cắt lưu lượng là các khối chức năng thực hiện nhiệm vụ (2)

1.2.3.3 Các tham số ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ trong mạng IP Đăng théng (Bandwidth):

Băng thông là giá trị trung bình số lượng gói tin được truyền qua mạng thành công trong một giây Sự thiếu hụt băng thông là một trong nhiều nguyên nhân làm giảm hiệu năng của các ứng dụng trên mạng: đặc biệt là các ứng dụng dễ bị ảnh hưởng bởi thời gian như voice hoặc các ứng đụng yêu cầu băng thông cao như video Một số giải pháp có thê ngăn chặn sự thiếu hụt và cải thiện hiệu năng của băng thông:

Trang 23

- Chuyén tiếp các gói tin theo độ ưu tiên: Đây là giải pháp thường được sử đụng, nó liên quan đến việc sử đụng kỹ thuật QoS Sử dụng phân loại lưu lượng thành các lớp QoS, sắp xếp thứ tự ưu tiên các luồng lưu lượng quan trọng và chuyển các luồng lưu lượng có độ ưu tiên quan trọng trước

- Nén: Tối ưu đường liên kết bằng cách nén nội dung của các frame nhằm tăng băng thông khả dụng của liên kết

D6 tré (Delay):

Độ trễ là khoảng thời gian trung bình mà gói tin được truyền đi từ nơi gửi đến

nơi nhận Mỗi thành phần trong tuyến như: thiết bị phát, thiết bị truyền dẫn, thiết bị

chuyển mạch và định tuyến đều có thê gây ra trễ Có ba thành phần gây trễ: trễ lan truyền, trễ xử lý, và trễ hàng đợi

- Tré lan truyền: là thời gian truyền một gói tin qua liên kết Trễ lan truyền có giá trị cố định phu thuộc vào phương tiện truyền

- Trễ xử lý: là khoảng thời gian cần thiết của một thiết bị định tuyến để chuyên một gói tin từ giao diện đầu vào tới hàng đợi đầu ra

- Trễ hàng đợi: là khoảng thời gian của gói tin nằm chờ tại hàng đợi trong một

thiết bị định tuyến

Một số giải pháp nhằm cải thiện độ trễ:

- Tăng băng thông liên kết: băng thông đủ sẽ làm cho hàng đợi ngắn lại và các gói tin không phải đợi trước khi được truyền đi

- Sử dụng các kỹ thuật quản lý hàng đợi Đây là phương pháp tiếp cận hiệu quả, tốn kém ít chỉ phí

D6 bién thién tré (Delay variation/Jitter):

Trang 24

trễ của chúng có thé bi thay đổi Kết quả của sự tác động của độ biến thiên trễ đối với các ứng dụng thời gian thực như thoại [P là dội tín hiệu, nhiễu tín hiệu

Một số giải pháp nhằm làm giảm độ biến thiên trễ của lưu lượng mạng: - Tăng băng thông liên kết

- Ưu tiên các gói tin có độ trễ nhạy cảm và chuyển các gói tin quan trọng trước: Đề thực hiện được điều này thì các gói tin phải qua giai đoạn phân loại hoặc đánh đấu gói tin trước khi chúng được đưa vào các hàng đợi tương ứng cho các loại gói tin

- Thay đổi độ ưu tiên của gói tin: Đây là trường hợp độ ưu tiên của gỏi tin đã

được thiết lập khi các gói tin đi vào thiết bị định tuyến Khi gói tin di chuyên từ miền

này sang miền khác, độ ưu tiên của các gói tin này có thê được thay đổi Mất gói (Packet loss):

Mắt gói xảy ra khi các bộ định tuyến tràn không gian bộ đệm trong các giao diện đầu vào để tiếp nhận thêm các gói tin mới đi vào Một bộ định tuyến có thể bỏ qua một số gói tin để dành không gian cho các gói tin khác có độ ưu tiên cao hơn

Các biện pháp khắc phục việc mất gói tại các bộ định tuyến (ngoài việc tăng băng thông liên kết):

- Tăng không gian bộ đệm để tương thích với các ứng dụng có độ bùng nỗ lưu lượng cao Vấn đề này phụ thuộc và sự phát triển thiết bị mạng

- Các phương pháp tránh tắc nghẽn: nhằm loại bỏ gói tin sớm trước khi có hiện tượng tắc nghẽn xảy ra bằng các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực

- Thiết lập chính sách lưu lượng để giới hạn các gói tin ít quan trong, ưu tiên các gói tin quan trọng hơn hoặc sử đụng cơ chế điều khiến báo nhận ACK

1.2.4.Các mô hình chất lượng dịch vụ (QoS)

Trang 25

1.2.4.1 M6 hinh (Best-Effort)

Mô hình Best-Effort không phân biệt các gói tin qua mạng, các gói tin được truyền di từ điểm đầu cuối này sang điểm đầu cuối khác mà không có bất kỳ một cơ chế bảo đảm băng thông hoặc thời gian tối thiểu của độ trễ cho các gói tin Các yêu cầu trên Internet được đối xử theo nguyên tắc “Đến trước, ra trước” Điều này có nghĩa là tất cả các yêu cầu có cùng độ ưu tiên và được xử lý theo chiến lược vào trước ra trước Vì vậy nó không có khả năng dành trước băng thông cho các kết nối đặc biệt hoặc ưu tiên cho các yêu cầu đặc biệt

- Ưu điểm: gần như không hạn chế khả năng trên mạng Chỉ có một cách duy nhất để hạn chế sự leo thang trên mạng là hạn chế băng thông, trong trường hợp này tất cả lưu lượng đến có cùng tính chất như nhau

- Nhược điểm: không bảo đảm chất lượng dịch vụ Các gói tin không có sự ưu tiên trong đối xử Gói tin quan trọng được đối xử như các gói tin bình thường

1.2.4.2 M6 hinh tich hop dich vu (Integrated Services Model)

Mô hình này không những đáp ứng được các dich wu best-effort ma các dịch vụ thời gian thực cũng được thực thi qua mô hình này qua việc hỗ trợ chức năng dành trước băng thông trên Internet và các mạng tương tác (Internetworks) Mô hình tích họp dịch vụ được phát triển để tối ưu hóa mạng và sử đụng tài nguyên cho các ứng dụng mới, như đa phương tiện thời gian thực yêu cầu bảo đảm QoS Các phần mềm phục vụ hội nghị viđeo, quảng bá viđeo, và hội nghị audio cần cung cấp băng thông đề bảo đảm chất lượng của video và audio

Dé hỗ trợ mô hình tích hợp dịch vụ, các thiết bị định tuyến phải cung cấp các ki thuật QoS phu hop cho mỗi lưu lượng, phù hợp với các mô hình dịch vụ Dé làm được điều đó thiết bị định tuyến phải có chức năng điều khiến lưu lượng (Traffie control) Bao gồm các thành phan sau: Lap lịch gói tin, phân loại gói tin, điều khiến đầu vào

Trang 26

khác nhau Lập lịch gói tin phải bảo đâm các gói tin được phân bố và chuyển tới đầu ra theo luật Người thiết lập lịch cũng có thể thiết lập chính sách và định hướng cho các lưu lượng sao cho các lưu lượng đó phải chắc chắn phù hợp với cổng đầu ra

- Phân loại gói tin (Pocket classiier): Việc phân loại gói tin là việc xác định luồng gói tin IP trong các điểm kết nối và các thiết bị mạng Sau đó, các gói tin sẽ được phân ra các lớp khác nhau Tắt cả các gói tin có cùng lớp thì sẽ nhận được sự cư xử như nhau trong lập lịch gói tin Việc chọn các gói tin vào một lớp dựa trên địa chỉ IP của nguồn, đích và số hiệu cổng bên trong Header của gói tin hoặc đưa thêm số phân loại cho mỗi gói tin

- Điều khiển lưu lượng vào (Admission control): Điều khiến lưu lượng vào bao gồm các thuật toán giúp thiết bị định tuyến quyết định việc chấp nhận hay không chấp

nhận các luồng lưu lượng đi vào thiết bị định tuyến Thiết bị định tuyến xác định nếu

nó có đủ tài nguyên định tuyến thì nó chấp nhận các yêu cầu QoS cho các luồng lưu lượng mới đó Nếu nó không đủ tài nguyên định tuyến thì việc chấp nhận một luồng mới sẽ ảnh hưởng tới các lưu lượng cần bảo đảm tài nguyên đã chấp nhận trước đó, đo đó các luồng này sẽ bị loại bỏ

Nếu các luỗng gói tin được chấp nhận, thiết bị định tuyến sẽ thiết lập tài nguyên dự trữ ở bộ phân loại và bộ lập lịch các gói tin để phục vụ việc xử lý các gói tin đã được chấp nhận để bảo đảm yêu cầu QoS

1.243 Mô hình phân biệt dịch vu (Differentiated Services Model - DiffServ)

Trang 27

DiffServ chi cung cấp sự ứng xử phân biệt liên quan tới các lớp lưu lượng khác nhau, vì vậy DiffServ không cung cấp mức QoS cụ thê Đề đâm bảo một số mức chất luong dich vu QoS cu thể, điều khiển đầu vào được hỗ trợ tại biên của miễn phân biệt dịch vụ DS để điều khiển các luồng lưu lượng đi vào mạng QoS trong mô hình phân biệt dịch vụ được cung cấp theo hướng cung cấp tài nguyên hơn

Thành phần trung tâm của mô hình phân biệt dịch vụ là thỏa thuận mức dịch vụ giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng DiffServ định nghĩa một số tham số mà người sử dụng hiểu rõ cho các ứng dụng của họ trong mức dịch vụ như: Thỏa thuận điều kiện lưu lượng, mô tả sơ lược về các tham số lưu lượng, các tham số hiệu năng (thông lượng, độ trễ, mức tốn thất gói), cách thức xử lý các các gói tin không phù hợp với thỏa thuận, và các kỹ thuật đánh dấu, định hướng lưu lượng

1.3 TRUYEN TAI DU LIEU VA KIEM SOAT TAC NGHEN TRONGTRUYEN TAI DU LIEU TAI BO DINH TUYEN

1.3.1 Chức năng của bộ định tuyến

Do router có nhiệm vụ định tuyên và truyền các gói tin trong mang sao cho dam bảo nhât nên các router có hô trợ các chức năng sau:

- Làm giao điện của mạng (bao gồm cả phân mảnh nếu cần thiết)

- Chuyển gói tới các router kế tiếp tuỳ theo thông tin trong bản định tuyến - Tạo bảng định tuyến và thường xuyên cập nhật nó

- Xử lý giao thức Internet

- Điều khiển tắc nghẽn và điều khiển cấp phép - Bảo mật mạng và điều khiến truy nhập

Lắp đặt các cấu hình và điều hành và quản trị mạng

1.3.2 Cấu trúc thiết bị định tuyến

Trang 28

Cấu trúc router gồm các khối chung: Giao diện ghép kênh Bộ chuyển dữ liệu Bộ quản lý Cập nhật thông tin từ bộ định tuyến khác Lx—————-

Gửi trạng thái, thông tin

Shor quan ly đến bộ định tuyến khác Dữ liệu vào Dữ liệu ra ————>- ————>—> TT Khối chuyển dữ liệu —T———*~ pt ———>

Hình 1.3.Cấu trúc cơ bản của bộ định tuyến

Cấu trúc cơ bản của bộ định tuyến được thể hiện ở Hình 1.3, các giao diện đầu vào chấp nhận các gói đến từ các router khác và (trên cơ sở địa chỉ đích IP) sẽ hướng các gói tới hot tiếp theo qua giao diện đầu ra Khi các router nhận thấy có đấu hiệu tắc nghẽn trong mạng thì các gói có thể bị loại bỏ hoặc đánh dấu trong nó Việc lựa chọn đầu ra phản hỗồi tắc nghẽn của bộ chuyển gói được điều khiển bởi khối quản lý Các router nay chi có một bộ CPU trung tâm đơn xử lý toàn bộ việc quản lý và chức năng hướng các gói Các router bây giờ hướng đến kiến trúc phân tán nhằm loại bỏ hoặc hạn chế tắc nghẽn nút cô chai

Khi QoS càng ngày càng trở nên quan trọng thì quá trình xử lý chuyển gói được

thiết kế lại

Trang 29

Quá trình bắt giữ và đánh đấu Hàng đợi và lập lịch

Tầng phân loại thiết lập ngữ cảnh cho các gói lần lượt đến xử lý bởi các router Hầu hết các ngữ cảnh này dùng đề thiết lập các đặc tính xử lý theo thời gian như: bắt giữ, hang đợi, đánh dấu, lập lịch, một sỐ ngữ cảnh dùng để chỉnh sửa các yêu cầu truyền gÓI

Để giải quyết tắc nghẽn ta có thê sử dụng kiến trúc CQS tại tất các điểm tắc nghẽn thậm chí bên trong mạng hay bên trong router Tất nhiên tại mỗi router cũng có thê xây ra tắc nghẽn bên trong do đó nó cũng được cung cấp các hàng đợi và lập lịch khác nhau tại các điểm

1.3.3 Cấu trúc CQS trong bộ định tuyến

Cấu tạo của các router kiểu cũ không còn phù hợp với sự phát triển của mạng, nó không cho phép giải quyết được tắc nghẽn, hoạt động không hiệu quả khi luồng lưu lượng trong mạng quá lớn và có tốc độ không cố định Do đó một cấu trúc router mới được đưa vào sử dụng, đó là router có tích hợp cấu trúc cQs

Trang 30

Hình 1.4 thể hiện kiến trúc CQS trong bộ định tuyến, bao gồm các lớp: Phân loại, Quản lý hàng đợi, Lập lịch

1.3.3.1 Lép phan loai (Classification)

Việc truyền trên mạng Internet ngày nay ngày càng phức tạp, do nó phải truyền tải quá nhiều loại lưu lượng với các đặc tính khác nhau, yêu cầu các cách thức truyền tải khác nhau Việc truyền tải lưu lượng, điều khiển truy nhập, và các dịch vụ khác nhau đòi hỏi có sự phân biệt các gói đựa trên cơ sở đa trường trong tiêu đề của mỗi gói, được gọi là phân loại gói tin Mạng sẽ đặt ra các mức ưu tiên cho các gói, dựa vào mức ưu tiên này để điều khiển mạng khi có tắc nghẽn xảy ra Gói nào có độ ưu tiên cao hơn sẽ được ưu tiên truyền trước, các gói có độ ưu tiên thấp hơn có thể bị loại bỏ khi có tắc nghẽn xảy ra

Cơ chế phân loại các gói của một router có ảnh hưởng trực tiếp tới việc phân chia các loại lớp dịch vụ của lưu lượng IP Trên thực tế thì ngữ cảnh các gói phụ thuộc vào bản thân thông tin chứa trong các gói đồng thời thông tin cấu hình được gửi tử giao diện đến của nó Việc phân loại gói tin cũng là hình thức của cơ chế truyền gói đựa theo các mức ưu tiên

Việc phân loại gói tin có hiệu lực do được hỗ trợ bởi một số tính năng khác của các dịch vụ mạng Internet: điều khiển truy cập, phân biệt dịch vụ, cân bằng tải, định dạng lưu lượng Mỗi dịch vụ yêu cầu các thiết bi Internet phải phân loại các gói vào trong các luồng khác nhau và thực hiện các hành động phù hợp với các gói trong các luồng đó Các luồng này được chỉ định bởi một bộ phân loại chứa tập hợp các luật lệ

Trang 31