QoS trong mạng IP NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP CHƯƠNG 4_1 pptx

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG MẠNG Đề tài: NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP CHƯƠNG IV CÁC THÀNH PHẦN QoS TRONG MẠNG IP MỘT SỐ KỸ THUẬT NÂNG CAO QoS TRONG MẠNG IP Ở chương III “các thành phần của QoS mạng ”, đã cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng IP, đưa ra cho chúng ta thấy các thành phần phát triển của QoS trong mạng IP. Tiếp đó là các tiến hành hoạt động với gói thông qua sự chiếm dụng ở các hop kế tiếp những sự thực thi như: phân loại, hàng đợi và kiến trúc lập lịch (CQS) cung cấp cho những thông số chuyển tiếp khác biệt. Trong một tình huống thêm vào, những đường liên kết cần có thông số QoS dự báo trước của mình cho mối liên hệ với sự điều khiển thời gian hợp lý được cung cấp bởi các router. Tiêu điểm của chương này tập chung vào router, các thành phần của nó, QoS đối với router và kiến trúc CQS. 4.1 Vấn đề định tuyến hoá và QoS Ở đây chúng ta đứng trên quan điểm của nhà quản lý mạng. Sự nâng cao chất lượng QoS được thực hiện dưới dạng các thành phần mạng. Đặc biệt là hỗi trợ QoS dựa trên thiết bị router. Để biết hiểu rõ hơn về vấn đề này chúng ta trước tìm hiểu một chút về router. Một router thông thường có một số chức năng cơ bản sau đây:  Giao diện ( giao diện ở đây khá phức tạp)  Bộ chuyển tiếp  Bộ phận chức năng quản lý Những gói phù hợp từ những router khác đưa vào những giao diện, và (trên cơ sở địa chỉ đích của mỗi gói IP) bộ phận chuyển tiếp chuyển gói qua giao diện đầu ra phù hợp. Mỗi giao diện sau khi sử dụng kỹ thuật đường liên kết riêng để truyền dẫn đến router (hay host) kế tiếp dọc theo đường liên kết. Khi router chắc chắn rằng vùng nghẽn đang tăng lên không còn phù hợp, những gói này có thể bị loại bỏ hay bị đánh dấu lại bằng cách chỉ ra trạng thái của nó trên mạng. Các thiết bị xử lý gói không liên tục kế tiếp (lựa chọn giao diện đầu ra và trả lời nghẽn) thì được xử lý sau cùng bởi thiết bị quản lý mạng. Khối chuyển tiếp FBI (forwarding information base) chứa các thông tin phục vụ cho sự định tuyến của các router, các router sẽ quyết định định tuyến những gói đến dựa trên, FBI và địa chỉ đích. Với tất cả những địa chỉ đích phù hợp, việc tìm kiếm tiền tố phù hợp dài nhất được thực hiện qua FIB. Khi sự tìm kiếm xác nhận là tìm thấy, bộ phận chuyển tiếp biết gói đi đến là phù hợp nó sẽ chuyển gói đến cổng ra phù hợp, có thể tiếp nhận; nếu không tìm thấy, thì ngược lại gói sẽ bị loại bỏ. Chú ý rằng, biết về mô hình hình học phụ cận cho phép FIB của những hop kế tiếp được tìm thấy từ tính toán những cây đường dẫn ngắn nhất cho tất cả địa chỉ đích/ những tiền tố. Hình 4.1: Bộ định tuyến IP hỗi trợ tối đa thông thường Những router đơn giản điển hình có chung tâm tín hiệu CPU thiết lập tất cả những chức năng quản lý và chuyển tiếp gói. Từ khi những router có sự phát triển theo hướng kiến trúc phấn tán, tất cả những thiết kế đều nhằm thực hiện loại bỏ hay giảm những điểm thắt cổ chai. Trong những router đường trục thực thi cao, bộ phận chuyển tiếp được phân tán thiết lập trong những cạc giao diện dược liên kết bởi cơ cấu hay mặt bằng nền tảng chuyển mạch tốc độ cao. Tuy nhiên, tất cả những router phải có trình tự chung theo các bước xử lý khi gói đi qua. Ngày nay QoS đang trở nên quan trọng, quá trình chuyển tiếp được thiết kế lại với chi phí nhiều hơn cho router gửi gói. Hình 4.2 cung cấp tổng quan về lý thuyết quá trình xử lý xảy ra trong khối chuyển tiếp ở hình 4.1. Thông thường một gói gửi qua thì thông qua ba giai đoạn chinh sau: Chuyển tiếp cập nhật nội hạt, bản tin cho những router khác. những thống kê nội hạt, bản tin từ những router khác . Quản lý  Phân loại và tìm kiếm FIB (thiết lập nhận dạng gói và tìm giao diện đầu ra).  Đánh dấu và lập chính sách (dùng để đối phó với những trường hợp gói không đến trong khung thời gian phù hợp)  Hàng đợi và lập lịch (cho chuyển tiếp gói phụ thuộc vào những quy tắc chia sẻ đường liên kết hay loại hình lưu lượng còn cho loại bỏ thì phụ thuộc vào những quy tắc điều khiển nghẽn). Giai đoạn phân loại gói thiết lập toàn bộ ngữ cảnh “context” cho những gói đến sau sự thiết lập này được thao tác bởi router. Mặc dù hầu hết tất cả “context” được sử dụng để thiết lập các thông số thao tác thời về thời gian (lập chính sách, đánh dấu, hàng đợi, lập lịch), một số “context” thêm vào có thể được dùng cho chuyển đổi một số quyết định chuyển tiếp. Ví dụ một router hiện đại có thể duy trì sử dụng nhiều FIB phức tạp (đại diện những cây đường dẫn ngắn nhất dựa trên cơ sở đơn vị khác nhau) và lựa chọn giữa chúng bằng cách sử dụng những thông tin khác nhau trong phần tiêu đề gói (như địa chỉ nguồn của gói). Một cách tương tự hay tối thiểu một mối quan hệ đóng thường tồn tại giữa tình huống của gói (thiết lập thông qua phân loại) và các phân loại của nó (ta có thể thấy được chúng trên cơ sở từ cuối- tới-cuối). Hình 4.2: Sự phân loại từng chặng điều khiển chặng kế tiếp, hàng đợi và lập lịch. Chú ý rằng một router cũng có thể nhận chặng tiếp theo bằng một phần ngữ cảnh của gói, nhưng sự sắp xếp chi tiết thì phụ thuộc nhiều vào sự thực thi. Hình 4.2 phản ánh một giả định đơn giản tắc nghẽn xảy ra chỉ ở giao diện đầu ra. Kiến trúc CQS được yêu cầu ở tất cả những điểm tắc nghẽn, dù có trong mạng hay router. Kiến trúc router cũng có thể có những điểm tắc nghẽn nội (ví dụ ở đầu vào của trường chuyển mạch hoặc mặt bằng phía sau) và cũng phải cung cấp hàng đợi và lập lịch khác biệt ở tất cả những điểm này. Đoạn kế tiếp diễn tả sắp xếp theo thứ tự phân loại, lập chính sách, đánh dấu, hàng đợi và lập lịch đã có phát triển từ trước. 4.2 Phân loại Sự xử lý phân loại gói trong những luồng ở bộ định tuyến gọi là phân loại gói. Tất cả các gói thuộc luồng giống nhau (theo quy ước) thì được xử lý giống nhau trong bộ định tuyến. Ví dụ địa chỉ nguồn và đích giống nhau. Cơ chế phân loại gói của một router ảnh hưởng trực tiếp đến nhân tố tách các lớp hoặc các loại lưu lượng IP khác nhau. Trong thực tế, tình trạng của một gói tin phụ thuộc vào cả hai thông tin mang bởi bản thân gói và thông tin tình hình mạng được nhận từ giao diện của nó. 4.2.1 Những quy tắc Một sơ đồ phân loại chung lựa chọn một số mẫu N bit trong phần tiêu đề của gói tin để phân biệt tới 2 N loại (hoặc lớp) gói. Mẫu này được gọi là khoá phân loại. Hoạt động phân loại một gói đòi hỏi kết hợp một số trường trong chìa khoá dựa vào một tập các quy tắc phân loại. Một phân loại gói phải bao gồm sự phù hợp những trường trong quy tắc. Quy tắc phân loại phải tồn tại “bao phủ” tất cả phân loại đặc biệt của yêu cầu cách thức xử lý của router - Những quy tắc định rõ “context”, nó chi phối sự xử lý gói phù hợp tiếp theo của router. Một khóa không thể dài tuỳ ý - bộ nhớ của một router bắt buộc phải giới hạn số lượng thông tin trạng thái mà nó có thể lưu giữ để nhận biết lớp. (Tuy nhiên ý nghĩa của các bit tồn tại trong trường phân loại có thể ít hơn nhiều so với 2 N trường hợp để giải quyết). Thời gian xử mỗi gói kết hợp trong từng bước phân loại cũng tăng lên theo chiều dài khóa (mặc dù không phải luôn theo đường thẳng), điều đó có thể cản trở hiệu suất của router. Mặt khác một khoá không thể quá ngắn – 2 N phải bằng hoặc lớn hơn giá trị cực tiểu của lớp lưu lượng yêu cầu bởi mạng đã được thiết kế. Ngoại trừ các trường đã được phân loại, giai đoạn phân loại phải có khả năng giữ được tốc độ gói đỉnh. Cho đến khi “context” của gói được thiết lập, hàng đợi khác biệt không được cung cấp. Khi mà giai đoạn phân loại chậm hơn tốc độ gói đến, thì hàng đợi FIFO xuất hiện trước giai đoạn phân loại. Hầu hết các sơ đồ phân loại hỗn hợp điển hình sử dụng một khoá bao gồm nhiều trường trong tiêu đề gói IP được chú giải như là phân loại đa trường (MF). Khoá này có thể thêm một vài hoặc tất cả các trường thường định nghĩa một luồng IP – thông thường là địa chỉ nguồn và địa chỉ đích, trường giao thức, và chỉ số cổng TCP/UDP nguồn và đích. Phân loại MF cung cấp tổng số lớn nhất “context” của bộ định tuyến cho các giai đoạn xử lý kế tiếp. Tuy nhiên, khi một người thiết kế mạng tin rằng chỉ một số lớp lưu lượng nhỏ cần phân biệt tại một vài chặng cho trước, giải pháp thường được ấn định cho một nhóm bit tại một vị trí cố định trong tiêu đề gói được phân loại. Octet ToS của IPv4, octet TC của IPv6 và trường dịch vụ khác biệt hoàn toàn phù hợp trong trường hợp này. 4.2.2 ToS, traffic Class (IPv4, IPv6) Trường ToS (IPv4): Gói IPv4 có một byte ToS trong phần tiêu đề cho phép phân loại gói tại mỗi chặng theo một cách đơn giản. Hình vẽ 4.3 đưa ra tiêu đề gói IPv4 (theo RFC 1349), trong đó 3 bít được gán để biểu thị quyền ưu tiên của gói và 4 bít chỉ thị loại dịch vụ. Bít cuối cùng được dự trữ và được thiết lập bằng 0. Hình 4.3 Trường ToS trong Ipv4 Chúng ta có thể chia lưu lượng thành 2 3 lớp dịch vụ (Class of Service - CoS) sử dụng ưu tiên IP (hai loại khác được dành riêng cho việc sử dụng mạng nội bộ). Các kỹ thuật hàng đợi trên toàn mạng sau đó có thể sử dụng dấu hiệu này để cung cấp cách xử lý phù hợp. Ba bit trọng số lớn nhất (tương ứng với nhị phân là các giá trị 32,64,128) của trường ToS trong tiêu đề IP tạo thành các bít được sử dụng cho ưu tiên IP. Các bít này được sử dụng để cung cấp độ ưu tiên từ 0 đến 7 cho gói IP. Trong đó ưu tiên IP 6 và 7 là để dự trữ và nhà quản trị mạng không được thiết lập, sáu mức ưu tiên còn lại dành cho các luồng lưu lượng IP. Bốn bít ToS có ý nghĩa như là một khoá phân loại cho việc thay đổi việc tìm kiếm FIB. Nó chỉ ra loại định tuyến/dịch vụ chuyển tiếp được yêu cầu theo khuyến nghị [RFC1349], bit cuối cùng được dùng cho dự phòng và thường được đặt bằng không. Các thiết lập khác nhau của các bít ToS yêu cầu gói phải được định tuyến dọc theo đường đã chọn dựa theo các tiêu chí độ trễ, thông lượng, độ tin cậy và các lý do về giá thành. Hình 4.3 minh họa 5 trong số 16 nhóm bít ToS và các ý nghĩa cụ thể của chúng. 11 nhóm bít còn lại theo RFC 1349 thì chưa được định nghĩa. Chú ý: một kỹ thuật được sử dụng sớm hơn là RFC791 sử dụng 3 bit thay cho 4 bit và mỗi bit được sử dụng như một cờ riêng yêu cầu trễ, công suất hoặc độ tin cậy là hệ thống định tuyến lựa chọn. IPv6: Một cách tương tự các đặc trưng RFC2460, tiêu đề gói tin IPv6 bao gồm một octet TC(traffic Class) đơn cho việc phân loại lưu lượng đơn giản [RFC2460]. Tuy nhiên RFC2460 định nghĩa không chi tiết về octet TC 4.2.3 Diffirent Services Fied (trường dịch vụ khác biệt) Một vấn đề với byte ToS trong RFC 1349 là mô hình xử lý lưu lượng phân biệt bị hạn chế. Gần đây, IETF đã đưa ra mô hình DiffServ, trong đó, byte ToS IPv4 trở thành trường DiffServ, cho phép chỉ thị nhiều kiểu xếp hàng gói và quy tắc lập lịch. Như minh hoạ trong hình vẽ 4.4, sáu bít của byte ToS cũ cấu tạo nên trường mã điểm DiffServ (DSCP), theo lý thuyết thì cho phép lên đến 64 trường hợp khác nhau, và do đó tương ứng với 64 cách đệm gói trong hàng đợi và 64 cách lập lịch. Hình 4.4 Trường DiffServ IHL V er ToS Đ ộ d ài g ói Sè nhËn Flags Offset TTL Giao th ức Header Đ ịa ch ỉ ngu ồn Đ ịa ch ỉ đ ích Trường mã điểm DS Không sử dụng Trêng Diffserv Mµo ®Çu gãi IPv4 truyÒn thèng 4.2.4 Phân loại đa trường Chỉ sử dụng trường DiffServ cho việc phân loại gói sẽ có một số hạn chế. Thứ nhất, số lượng lớp lưu lượng tối đa là 64 và thông thường là ít hơn nhiều. Thứ hai, với sự phân loại như vậy, bộ định tuyến biết rất ít về các nguồn và đích của gói. Một kỹ thuật khác được đưa ra là phân loại đa trường. Thông thường bộ phân loại đa trường được sử dụng để phân biệt giữa các luồng ứng dụng. Điều này cần đến một khoá phân loại bao gồm các trường địa chỉ đích và nguồn (để xác định các điểm đầu cuối tham gia), trường giao thức, số hiệu cổng đích và nguồn TCP/UDP (chỉ thị ứng dụng, giả sử tải trọng là TCP hay UDP). Mặc dù không phải là phần bắt buộc phải có trong tiêu đề gói tin IP, nhưng số hiệu cổng TCP/UDP luôn có trong 32 bít đầu sau phần tiêu đề IPv4 và bộ phân loại đa trường có thể dễ dàng xác định vị trí của chúng.  Phân loại IPv4 Hình 1.11 biễu diễn một số trường thông thường cần quan tâm trong một gói IPv4. Hai vùng phức tạp được đánh địa chỉ bởi khối phân loại MF. Trước hết các trường địa chỉ, giao thức và chỉ số cổng lên tới 104 bit, nó phải được kiểm tra trong mọi gói tin chuyển qua router. Thứ hai, một số quy tắc phân loại áp dụng cho các luồng đa ứng dụng một cách đồng thời và thường được diễn đạt trong giới hạn điều kiện đường biên trong trường con trong khoá phân loại. Trong một số trường hợp điều kiện đường biên có thể được biểu diễn trong giới hạn đặc biệt được kiểm tra còn một số trường hợp khác thì không; sau đó router có thể xác nhận bằng một bộ phân loại phối hợp chính xác đơn giản. Tuy nhiên nếu nhu cầu thuộc phạm vi xác định chuyên quyền (chẳng hạn như quan hệ địa chỉ nguồn giữa 128.90.80.20 và 129.0.0.0 với một cổng nguồn TCP giữa 1024 và 1090, và một vài giá trị trong các trường khác) thì router yêu cầu một giai đoạn phân loại MF sắp xếp phù hợp. [...]... đó Thậm chí cho phép sự hạn chế này, số hoán vị có khả năng lên tới hàng triệu đặc biệt là trong mạng lõi (một kết quả cho router mạng lõi cố gắng cung cấp sự phân cách dịch vụ mức luồng và một sự giải thích cho mô hình DiffServ ) Một hạn chế của phân loại MF là sự phân mảnh gói tin IPv4 mang chỉ số cổng TCP/UDP trong mảnh đầu tiên duy nhất Như vậy bộ phân loại MF tìm kiếm chỉ số cổng TCP hoặc chỉ số... gói tin IP nhỏ nhất, của một router như đã thấy, lớn hơn kích cỡ gói IP trung bình lý tưởng, thường từ 250 đến 350 byte) Phụ thuộc vào sự bùng nổ mong đợi của gói tin IP nhỏ đến, bộ đệm có thể đủ nhỏ để trường hợp jitter xấu nhất có thể chịu đựng được Chú ý: Lưu lượng IP giới thiệu sự phân phối kích thước đa phương tiện với đỉnh lớn khảng từ 40 đến 41 byte và khoảng giữa 500 byte Các ứng dụng VoIP xuốt... không bị đánh dấu trong một lớp lưu lượng Có thể là hàng đợi đi vào mà các gói bị đánh dấu bị loại bỏ được thiết kế một bộ lập lịch khác quyền ưu tiên liên quan tới hàng đợi thiết kế cho các gói thông thường trong cùng một lớp lưu lượng (xem hình 3.7) Việc sắp xếp lại xảy ra khi một gói bị đánh dấu đến trước một gói không bị đánh dấu Mặc dù IP không ngăn ngừa gói được sắp xếp bởi mạng nhưng hầu hết... trường DiffServ (hay byte ToS/TC) để xác định băng tần và độ ưu tiên cho một luồng gói cụ thể, mạng không thể đơn giản cho phép người dùng thiết lập các giá trị trường DiffServ Tưởng tượng rằng người A trả tiền cho dịch vụ thông lượng thấp và thiết lập DiffServ =X trên tất cả các gói được truyền đi Giả sử mạng cung cấp băng tần cao hơn rất nhiều cho các gói có DiffServ =Y Đối với người A, điều này thật... một hạn chế có thể thấy trên lưu lượng bao gồm nhiều gói nhỏ hơn là một lượng ít các gói lớn hơn Khi phân loại gói MF thêm vào tìm kiếm FIB, tầng phân loại gói tự nó trở thành một điểm nghẽn trong router Nếu bộ xử lý phân loại không thể giữ các gói như giao diện bên trong yêu cầu chúng, một bộ đệm được được yêu cầu trước tầng phân loại Các gói vào có thể được sắp xếp trong hàng đợi FIFO ở đây không... tục này thêm vào một thành phần jitter không phân biệt với tất cả lưu lượng truyền qua bộ phân loại Hình 4.5: Bộ đệm được yêu cầu nếu bộ phân loại là chậm hơn tốc độ đỉnh đến Bộ đệm trước phân loại là một điều bất thường cho các router nỗ lực tối đa, nhưng rất quan trọng khi cân nhắc đến vai trò của một router trong một mạng IP có QoS cho phép Bộ đệm này thậm chí có thể chấp nhận được nếu hoạt động... hợp bất kỳ Ví dụ sự phân phối các giá trị địa chỉ IP phụ thuộc vào vị trí trong mạng mà router đang tồn tại - những địa chỉ nguồn và đích hướng tới biên của mạng ít hơn là hướng tới lõi Thêm vào đó chỉ một nhóm 256 giao thức có khả năng được xem xét Nói cách khác một bộ phân loại MF phải thừa nhận rằng chỉ số cổng TCP/UDP có thể đảm nhận một số giá trị trong đó Thậm chí cho phép sự hạn chế này, số hoán... như tạo ra các đỉnh mới trong phạm vi 100 byte Với một router mà tầng phân loại luôn nhanh hơn tốc độ gói đến trong trường hợp xấu nhất thì chúng ta không cần phải quan tâm 4.3 Đánh dấu và lập chính sách Tất cả các lớp lưu lượng đều có hạn chế nhất định tới phương thức thời gian cho phép của nó - một hạn chế trong đó là các gói có thể đến nhanh tới mức nào hoặc số gói có thể đến trong một khoảng thời... gói ở trong hồ sơ Nếu R vượt quá X trong một thời gian dài thì thùng sẽ rỗng và các gói kế tiếp được xem như ngoài hồ sơ Trạng thái ngoài hồ sơ vẫn còn tiếp tục cho đến khi R rớt xuống thấp hơn X Một thùng thẻ bài có thể được xem như một quy tắc bắt buộc mà tổng số gói gửi qua điểm đo trong một khoảng thời gian T phải nhỏ hơn T*X+Y In-profile out-profile In-profile Gáo nhỏ dọt trong khi lưu lượng bùng... thuật trong phần 4.5 “lập lịch” 4.4 Quản lý hàng đợi Quản lý hàng đợi đưa ra khả năng chia sẻ của một kết nối trong một kiểu điều khiển lưu lượng có sự cạnh tranh lưu lượng được phân phối qua nhiều hàng đợi tại giao diện đầu ra Mọi lớp lưu lượng có yêu cầu đặc điểm lập lịch riêng phải được đặt trong chính hàng đợi của nó với mỗi gói trực tiếp tới hàng đợi thích hợp sử dụng thông tin tình huống thu thập . NGHIỆP HỆ THỐNG MẠNG Đề tài: NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP CHƯƠNG IV CÁC THÀNH PHẦN QoS TRONG MẠNG IP MỘT SỐ KỸ THUẬT NÂNG CAO QoS TRONG MẠNG IP Ở chương III “các. ToS của IPv4, octet TC của IPv6 và trường dịch vụ khác biệt hoàn toàn phù hợp trong trường hợp này. 4. 2.2 ToS, traffic Class (IPv4, IPv6) Trường ToS (IPv4): Gói IPv4 có một byte ToS trong phần. theo một cách đơn giản. Hình vẽ 4. 3 đưa ra tiêu đề gói IPv4 (theo RFC 1 349 ), trong đó 3 bít được gán để biểu thị quyền ưu tiên của gói và 4 bít chỉ thị loại dịch vụ. Bít cuối cùng được dự trữ