Luận văn: Nghiên cứu các kĩ thuật quản lý hàng đợi trong mạng IP doc

Đồ án tốt nghiệp Đại học Đỗ Thị Thanh Huyền-D2001 VT Báo Cáo Nghiên cứu các kĩ thuật quản lý hàng đợi trong mạng IP Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Trang i Thuật ngữ viết tắt i Lời nói đầu 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QoS 3 1.1 Khái niệm QoS 3 1.1.1 Giới thiệu chung 3 1.1.2 Kiến trúc cơ bản của QoS 5 1.1.3 Các tham số của QoS 6 1.1.4 Các mức QoS 9 1.2 Điều khiển tắc nghẽn 18 1.2.1 Khái niệm 18 1.2.2 Các kỹ thuật được sử dụng trong quản lý tắc nghẽn 20 1.2.3 Điều khiển tắc nghẽn và tránh tắc nghẽn trong mạng TCP 20 1.3 Tổng kết chương 23 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CQS TRONG ROUTER 24 2.1 Cấu trúc Router 24 2.1.1 Cấu trúc router 24 2.1.2 Chức năng của router 26 2.2 Cấu trúc CQS 29 2.2.1 Phân loại (Classification) 29 2.2.2 Quản lý hàng đợi (Queue management) 35 2.2.3 Lập lịch (Schedular) 36 2.3 Hoạt động của các router biên và router lõi trong mạng 38 2.3.1 Router biên (edge router) 40 2.3.2 Router lõi (core router) 42 2.4 Tổng kết chương 45 CHƯƠNG 3: QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI VÀ CÁC THUẬT TOÁN 46 3.1 Các kĩ thuật hàng đợi 46 3.1.1 Giới thiệu hàng đợi trong Router 46 3.1.2 Hàng đợi FIFO (First In First Out) 49 3.1.3 Hàng đợi ưu tiên PQ (Priority Queue) 50 3.1.4 Hàng đợi cân bằng FQ (Fair Queue) 52 3.1.5 Hàng đợi cân bằng có trọng số WFQ (Weighted Fair Queue) 52 3.1.6 So sánh các kĩ thuật hàng đợi 55 3.2 Các kĩ thuật liên quan tới hàng đợi 56 3.2.1 Bắt giữ và đánh dấu gói tin 57 3.2.2 Giảm chiếm giữ hàng đợi 58 3.3 Các phương pháp quản lý hàng đợi 60 3.3.1 Kĩ thuật Tail Drop 60 Đỗ Thị Thanh Huyền-D2001 VT Đồ án tốt nghiệp Đại học 3.3.2 Thuật toán Blue 62 3.3.3 Thuật toán RED 63 3.3.4 Phát hiện sớm ngẫu nhiên có trọng số WRED 70 3.3.5 Phát hiện sớm ngẫu nhiên thích nghi ARED 75 3.3.6 RED với các cổng vào ra (RIO-RED with In/Out) 79 3.3.7 Thuật toán RIO thích ứng (ARIO) 85 3.3.8 Phát hiện sớm ngẫu nhiên cân bằng FRED 87 3.4 So sánh các kĩ thuật quản lý bộ đệm 88 3.4.1 So sánh RED và Tail Drop 88 3.4.2 So sánh thuật toán RED và thuật toán Blue 90 3.4.3 So sánh các thuật toán RED 90 3.5 Tổng kết chương 91 Kết luận 92 Tài liệu tham khảo 93 Đỗ Thị Thanh Huyền-D2001 VT Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ viết tắt ACL Access Control List Danh sách điều khiển cấp phép AQM Adaptive Queue Management Quản lý hàng đợi tương thích ARED Adaptive Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên tương thích ARIO Adaptive Random Early Detection with In/Out put RED vói các cổng vào ra tương thích ATM Asynchronous Transfer Mode Kiểu truyền không đồng bộ BA Behavior Aggregate Tập hợp các hoạt động BGP Border Gateway Protocol Giao Thức cổng biên Bootp Boot Trap Protocol Giao thức Bootp CBQ Class Based Queue Hàng đợi trên cơ sở lớp CBWFQ Class Base Weighted Fair Queue Hàng đợi cân bằng có trọng lượng trên có sở lớp CoS Class of Service Lớp dịch vụ CQ Custom Queue Hàng đợi tụ điều chỉnh CQS Classification, Queue, Schedular Kiến trúc phânloại, xếp hàng, lập lịch CU Currently Unused Không sử dụng DRR Deficit Round Robin Thuật toán Round Robin tường minh DS Differentiated Service Dịch vụ phân biệt DSCP Differentiated Service Code Point Điểm mã dịch vụ phân biệt ECN Explicit Congestion Notification Thông báo tắc nghẽn rõ ràng ECT ECN Capable Transport Bít ECT EGP Exterior Gateway Protocol Giao thức cổng ngoại FIB Forwarding Information Base Cơ sở thông tin định tuyến FIFO First In First Out Hàng đợi phục vụ theo kiểu vào trước ra trước FRED Fair Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên cân bằng ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức bản tin điều khiển Internet IGP Interior Gateway Protocol Giao thức cổng ngoại IP Internet Protocol Giao thức Internet Đỗ Thị Thanh Huyền-D2001 VT Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt IS Intergrated Service Dịch vụ tích hợp ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet LAN Local Area Network Mạng nội vùng LDP MMF MIB Management Information Base Cơ sở thông tin quản lý mạng MPLS Multi Protocol Lable Swiching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTU Maximum Transport Unit Đơn vị truyền lớn nhất NAT Network Address Translator Biên dịch địa chỉ mạng NP Network Performent Hiệu năng mạng OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến OSPF PHB Per Hop Behavior Cách hoạt động trên từng chặng PMTU Path Maximum Transport Unit Đơn vị truyền lớn nhất của một đường PQ Priority Queue Hàng đợi ưu tiên PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm -điểm RED Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên RIO RED with In/Out put RED với các cổng vào ra RIP Realtime Internet Protocol Giao thức báo hiệu IP thời gian thực RR Round Robin Thuật toán Round Robin RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên RTP Realtime Protocol Giao thức thời gian thực SLA Service Level Agreement Thoả thuận mức dịch vụ giữa nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng SNMP Simple Network Management Protocol Giao thức quản lý mạng đơn giản TCA Traffic Conditioning Agreement Thoả thuận điều phối lưu lượng TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải TFTP Trivial File Transfer Protocol Giao thức truyền file đơn giản TOS Type Of Service Loại dịch vụ UDP User Data Protocol Giao thức dữ liệu người sử Đỗ Thị Thanh Huyền-D2001 VT Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt dụng WAN Wide Erea Network Mạng diện rộng WFQ Weighted Fair Queue Hàng đợi cân bằng có trọng số WRED Weighted RED RED có trọng số Đỗ Thị Thanh Huyền-D2001 VT Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Lời nói đầu Internet đã làm một cuộc cách mạng thay đổi nhiều khía cạnh trong cuộc sống của chúng ta. Nó làm thay đổi hẳn các hoạt động mang tính truyền thống của con người. Bằng cách sử dụng Internet nó cho phép con người có thể tiếp nhận thông tin từ xa như : có thể xem một bộ phim đang chiếu ở đâu đó, nói truyện với người ở rất xa, hay theo học trực tuyến tới một khoá học nào đó ngoài nước….Bên cạnh đó mạng Internet còn rẻ hơn nhiều so với các lợi hình dịch vụ khác, do đó nó được phát triển rộng khắp ở mọi nước trên thế giới. Có thể xem xét quá trình phát triển của Internet như sau. Sự phát triển các giao thức cho Internet (IP) bắt đầu từ những năm 1970, nhưng thực sự phát triển vào những năm 1980 và phát triển mạnh vào những năm sau đó. Năm 1995 mạng Internet đã kết nối khoảng 100 triệu máy tính và cho tới ngày nay số lượng này đã tăng lên rất nhiều. Qua đó ta thấy được sự bùng nổ về nhu cầu sử dụng Internet và sự gia tăng của lưu lượng thông tin. Song song với việc quan tâm tới chất lượng dịch vụ thì mạng thông tin này cần thiết phải thích nghi với các tính năng như tốc độ cao, băng thông, đa phương tiện và phải thiết lập được mạng thông tin có thể thoả mãn được tất cả các yêu cầu của khách hàng. Mạng IP ra đời thoả mãn được các yêu cầu cả về kĩ thuật lẫn chất lượng dịch vụ. Tuy nhiên để nâng cao chất lượng dịch vụ, đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng là một vấn đề thực sự khó khăn cho các nhà quản lý mạng, đặc biệt là trong hoàn cảnh hiện nay khi các luồng thông tin ngày càng đa dạng về chủng loại, đặc tính, mà yêu cầu chất lượng sử dụng thông tin thì ngày càng khắt khe. Việc yêu cầu chất lượng dịch vụ của người sử dụng cũng tạo ra sự cạnh tranh khắc nghiệt giữa các nhà cung cấp dịch vụ, yêu cầu các nhà cung cấp dịch vụ phải tìm ra các giải pháp mới để nâng cao chất lượng dịch vụ và tăng doanh thu cho mình. Vậy giải pháp đưa ra là gì?. Các nhà xây dựng mạng đã khéo léo đưa ra các mô hình mạng mới như mô hình mạng dịch vụ phân biệt DiffServ và mạng dịch vụ tích hợp IntServ đồng thời kết các mô hình mạng với nhau để lợi dụng ưu điểm của từng mạng và hạn chế nhược điểm của chúng. Bên cạnh đó các nhà thiết kế còn đi sâu vào tìm hiểu và thiết kế các phương pháp quản lý, giám sát các tiến trình truyền tin ngay bên trong bản thân của các thành phần nhỏ của mạng như router, chuyển mạch….Điển hình là các router được thiết kế theo cấu trúc CQS đã phần nào đơn giản hoá việc truyền tin và nâng cao chất lượng dịch vụ. Một trong những phương pháp đưa ra ở các router để cải thiện chất lượng dich vụ trong mạng IP thông dụng nhất là phương pháp quản lý hàng đợi (Queue Management) Đỗ Thanh Huyền-D2001 VT Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Trong thời gian qua được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong khoa viễn thông, đặc biệt là thầy giáo ThS Nguyễn Văn Đát em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu các kĩ thuật quản lý hàng đợi trong mạng IP ”. Nội dung của đồ án gồm 3 chương : Chương 1 : Giới thiệu chung về QoS Chương 2 : Kiến trúc CQS trong router Chương 3 : Quản lý hàng đợi và các thuật toán Do lĩnh vực của đề tài này tương đối rộng, và bản thân kiến thức còn có nhiều hạn chế nên đồ án không tránh khỏi nhiều sai sót. Em mong được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô và các bạn sinh viên để nội dung đồ án được hoàn thiện và phong phú hơn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Viễn Thông, đặc biệt là thầy giáo ThS Nguyễn Văn Đát đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo giúp em hoàn thành đồ án. Hà Nội ngày 25 tháng 10 năm 2005 Sinh viên thực hiện Đỗ Thị Thanh Huyền Đỗ Thanh Huyền-D2001 VT Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QoS Hiện nay lưu lượng trong mạng rất phong phú và đa dạng, mỗi kiểu lưu lượng lại có một yêu cầu riêng về băng thông, độ trễ, mất gói và độ tin cậy. Bên cạnh đó mạng IP best-effort có giao thức IP được thiết kế một cách tin cậy, không để ý đến thời gian truyền, chỉ thích hợp trong mạng có độ tin cậy cao, do đó trong các mạng phức tạp sẽ không đảm bảo được chất lượng dịch vụ. Với sự bùng nổ của Internet và sự bùng nổ của mạng NGN cùng hầu hết các lưu lượng mạng đều dựa trên cơ sở IP thì việc đảm bảo QoS cho các loại lưu lượng khác nhau là một vấn đề lớn. Do đó việc nghiên cứu về QoS là điều cần thiết cho nhà quản lý dịch vụ. 1.1 Khái niệm QoS 1.1.1 Giới thiệu chung Theo khuyến nghị E800 của ITU QoS được xem như: “Chất lượng dịch vụ viễn thông là kết quả tổng hợp của các chỉ tiêu dịch vụ, thể hiện ở mức độ hài lòng của đối tượng sử dụng dịch vụ đó”. Dịch vụ viễn thông là các hoạt động trực tiếp hoặc gián tiếp của các doanh nghiệp cung cấp cho khác hàng khả năng truyền, đưa và nhận các loại các thông tin thông qua mạng lưới viễn thông công cộng Theo cisco thì: QoS là khả năng của mạng để cung cấp dịch vụ tốt hơn cho lưu lượng mạng xác định qua nhiều công nghệ mạng lớp dưới như Frame Relay, ATM, IP…và các mạng định tuyến. Nói cách khác, nó là đặc tính của mạng cho phép phân biệt giữa các lớp lưu lượng khác nhau và xử lý chúng một cách khác nhau. Về cơ bản, QoS cho phép cung cấp tốt hơn các dịch vụ đối với các luồng.Việc này được thực hiện bằng việc tăng độ ưu tiên của luồng này và giới hạn độ ưu tiên của luồng khác. Khi sử dụng các phương pháp điều khiển tắc nghẽn, ta có thể cố gắng làm tăng độ ưu tiên của luồng bằng cách sử dụng hàng đợi và các hàng đợi phục vụ theo nhiều cách. Phương pháp hàng đợi được sử dụng để tránh tắc nghẽn, tăng độ ưu tiên bằng việc loại bỏ các luồng có độ ưu tiên thấp hơn. Bắt giữ và định dạng cung cấp độ ưu tiên cho một luồng bằng việc giới hạn độ thông qua của luồng khác. Phương pháp này giới hạn các luồng lớn, ưu tiên xử lý các luồng nhỏ. A NP QoS NET NET NET NET CEQ CEQ NP NP B Hình 1.1: Mô hình tổng quan QoS Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS Trong mô hình có cả chất lượng của từng mạng (NP) trên đường truyền từ đầu cuối này tới đầu cuối kia. Ta không nên nhầm lẫn hai khái niệm chất lượng dịch vụ và chất lượng mạng. QoS giúp cho các dịch vụ viễn thông và nhà cung cấp mạng đáp ứng được các nhu cầu dịch vụ của khách hàng. Còn NP được đo trực tiếp hiệu năng trên mạng không chịu ảnh hưởng của khách hàng và các thiết bị đầu cuối. Thêm nữa các giá trị của QoS đo được rất khác so với các giá trị NP đo được do một kết nối từ đầu cuối A đến đầu cuối B có thể phải chuyển qua nhiều kết nối trong mạng, hay phải qua rất nhiều mạng và các thiết bị đầu cuối. Do đó để đo được QoS là rất khó. Việc đo đạc NP đơn giản hơn nhiều. So sánh giữa QoS và NP: QoS được xác định bằng các chỉ tiêu định tính và định lượng. Chỉ tiêu định tính thể hiện sự cảm nhận của khách hàng còn chỉ tiêu định lượng được thực hiện bằng các số liệu đo cụ thể. Theo khuyến nghị E800 của ITU: NP là năng lực của mạng (hoặc một phần của mạng) cung cấp các chức năng liên quan tới truyền thông tin giữa những người sử dụng. Mạng viễn thông bao gồm các hệ thống chuyển mạch và truyền dẫn, mạng cáp ngoại vi, được kéo dài từ điểm truy nhập tới thiết bị đầu cuối của khách hàng. Do đó đánh giá chất lượng của mạng chính là đánh giá các chỉ tiêu, các thông số kĩ thuật có liên quan tới khả năng truyền thông tin của mạng cùng các chủng loại thiết bị bên trong mạng đó. Theo quan điểm của khách hàng thì họ mong muốn được cung cấp các dịch vụ đảm bảo chất lượng, còn trên quan điểm của nhà cung cấp dịch vụ thì khái niệm chất lượng mạng là một chuỗi các tham số mạng có thể được xác định, được đo đạc và điều chỉnh để có thể đạt được mức độ hài lòng của khách hàng về dịch vụ. Nhà cung cấp dịch vụ có trách nhiệm phải tổ hợp các tham số chất lượng mạng khác nhau thành tập hợp các tiêu chuẩn để có thể vừa đảm bảo lợi ích kinh tế của mình vừa thoả mãn tốt nhất yêu cầu của người sử dụng. Khi sử dụng dịch vụ, khách hàng chỉ biết đến nhà cung cấp dịch vụ chứ không quan tâm tới các thành phần của mạng. NP yêu cầu phải được hỗ trợ các khả năng: • Khả năng truy nhập dịch vụ • Khả năng khai thác • Khả năng duy trì • Khả năng tích hợp dịch vụ Mô hình tham khảo cho QoS end to end thường có một hoặc vài mạng tham gia, mỗi mạng lại có nhiều node. Mỗi mạng tham gia có thể đưa vào trễ, tổn thất hoặc [...]... thiện được hiệu năng của mạng Một kỹ thuật hàng đợi cơ bản nhất là FIFO, các gói được xử lý theo trật tự mà chúng đến hàng đợi, còn hàng đợi ưu tiên sử dụng cấu trúc đa hàng đợi với các mức ưu tiên khác nhau sẽ ưu tiên xử lý các gói quan trọng nhất và truyền tới các node kế tiếp Một kỹ thuật hàng đợi quan trọng nữa là tự ấn định các luồng cho chính bản thân các hàng đợi Với các luồng khác nhau thì độ... phân phối tài nguyên Kỹ thuật này rất khó nhưng nó có khả năng loại trừ tắc nghẽn trong mạng bằng việc khoá các lưu lượng vượt quá khả năng của mạng Một giải pháp quan trọng nhất trong điều khiển tắc nghẽn đó là sử dụng hàng đợi Các bộ đệm trong các thiết bị mạng được quản lý bởi rất nhiều kỹ thuật hàng đợi Nói đúng ra quản lý hàng đợi có thể tối thiểu hoá việc mất gói trong mạng và tắc nghẽn xảy ra... hay đưa các gói vào trong các hàng đợi khác nhau và phục vụ từng hàng lần lượt? Để giải quyết vần đề này ta sử dụng các công cụ: hàng đợi ưu tiên (PQ), hàng đợi đặt trước (CQ), hàng đợi cân bằng trọng số (WFQ) và hàng đợi cân bằng trọng số trên cơ sở lớp (CBWFQ) • Quản lý hàng đợi Do kích thước của hàng đợi là giới hạn nên chúng có thể bị đầy và tràn hàng đợi Do đó khi hàng đợi đầy thì bất kì một gói... ngay trong hàng đợi để tránh tràn hàng đợi, và giảm tốc độ Trong quản lý hàng đợi ta sử dụng thuật toán RED (phát hiện sớm ngẫu nhiên) để thực hiện quản lý hàng đợi 1.3 Tổng kết chương Trong chương 1 đã xem xét được vấn đề về khái niệm chất lượng dịch vụ QoS và các tham số của QoS trong mạng IP Việc cải htiện chất lượng dịch vụ đáp ứng các yêu cầu về chất lượng của khách hàng là vấn đề làm đau đầu các. .. này và các cách cư xử liên quan được thiết kế để tách riêng quản lý lưu lượng và tính năng cung cấp dịch vụ từ các chức năng định hướng được thực hiện bên trong các node mạng lõi Hình 1.6 : Mô tả các thuật ngữ trong mô hình mạng Diff Serv Các tính năng nổi bật nhất của các mạng Diff-Serv là các miền DS và các node biên DS Các miền DS có thể là các mạng Intranet riêng, nhưng điển hình là các mạng cung... thông) hơn các PHB khác • Một PHB có độ trễ thấp, và các tham số mất gói Một PHB được thực hiện cùng với quản lí hàng đợi và cơ chế lập lịch Các router kiểm tra các trường DSCP, phân loại nó theo các quá trình đánh dấu và sau đó chuyển gói tới các hàng đợi tương ứng Một kết nối đầu ra đa hàng đợi với các mức độ ưu tiên khác nhau Kĩ thuật lập lịch được sử dụng để chuyển các gói ra khỏi hàng đợi và chuyển... nghẽn bằng cách sử dụng quản lý hàng đợi tích cực Việc loại bỏ gói là hoàn toàn không hiệu quả Nếu một host bị ngập tràn và tức nghẽn xảy ra thì sẽ có rất nhiều gói bị mất Do đó việc loại bỏ tắc nghẽn sắp xảy đến và quản lý tắc nghẽn tích cực là điều rất cần thiết Để thực hiện điều này ta sử dụng quản lý hàng đợi tích cực, và lập lịch Quản lý hàng đợi là một kĩ thuật mà các router loại bỏ gói một cách tích... byte : byte xác định trường DS trong trường TOS của IPv4 và trường TC trong IPv6 Các trường này hi vọng các gói tin được mong đợi nhận được thuộc lớp dịch vụ nào • Các thiết bị biên : nằm tại lối vào hay lối ra của mạng nhằm cung cấp DiffServ • Các thiết bị bên trong mạng • Quản lý cưỡng bức : các công cụ và nhà quản trị mạng giám sát và đo kiểm đảm bảo SLA giữa các mạng và người dùng Phân loại đa... khác nhau, và mỗi luồng đều được xử lý để chắc chắn rằng chúng không làm tràn hàng đợi Việc tách rời các hàng đợi theo cách này đảm bảo rằng các hàng đợi sẽ chỉ chứa các gói từ một nguồn đơn lẻ 1.2.3 Điều khiển tắc nghẽn và tránh tắc nghẽn trong mạng TCP Trong những năm 1980 Internet dễ xảy ra hiện tượng “sụp đổ tắc nghẽn”,do có quá ít chức năng điều khiển quản lý mạng Các kết nối đơn lẻ sử dụng điều khiển... khôi phục được xử lý bởi các dịch vụ khác Trong lớp vật lý hoặc lớp mạng các Frame có thể bị loại bỏ, trong lớp mạng các router bị tắc nghẽn có thể loại bỏ các gói TCP là một dịch vụ truyền dữ liệu tin cậy được các hệ thống đầu cuối sử dụng để khôi phục lại các gói đã bị loại bỏ trong mạng trong trường hợp có tắc nghẽn xảy ra, hay bị loại bỏ bởi chính nó khi bộ đệm bị đầy Trong mạng các gói cũng có thể . 45 CHƯƠNG 3: QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI VÀ CÁC THUẬT TOÁN 46 3.1 Các kĩ thuật hàng đợi 46 3.1.1 Giới thiệu hàng đợi trong Router 46 3.1.2 Hàng đợi FIFO (First In First Out) 49 3.1.3 Hàng đợi ưu tiên PQ. 50 3.1.4 Hàng đợi cân bằng FQ (Fair Queue) 52 3.1.5 Hàng đợi cân bằng có trọng số WFQ (Weighted Fair Queue) 52 3.1.6 So sánh các kĩ thuật hàng đợi 55 3.2 Các kĩ thuật liên quan tới hàng đợi 56 3.2.1. kĩ thuật quản lý hàng đợi trong mạng IP ”. Nội dung của đồ án gồm 3 chương : Chương 1 : Giới thiệu chung về QoS Chương 2 : Kiến trúc CQS trong router Chương 3 : Quản lý hàng đợi và các thuật toán