NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TRONG MẠNG IP CHƯƠNG 1_1 pdf

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TRONG MẠNG IP 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 CEQ CEQ NP NP B Hình 1.1: Mô hình t ổ ng quan 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 lỗi do việc ghép kênh, chuyển mạch hoặc truyền dẫn, nên nó ảnh hưởng tới truyền dẫn. Do đó QoS trong mạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: các thành phần mạng, cơ chế xử lý tại đầu cuối, cơ chế điều khiển trong mạng. 1.1.2 Kiến trúc cơ bản của QoS Kiến trúc cơ bản của QoS gồm 3 mảng cơ bản:  Định dạng QoS và kĩ thuật đánh dấu cho phép phối hợp QoS từ điểm đầu tới điểm cuối giữa từng thành phần mạng.  QoS trong từng thành phần mạng đơn(các công cụ hàng đợi định dạng,lập lịch, định dạng lưu lượng)  Cách giải quyết, điều khiển QoS, các chức năng tính toán để điều khiển và giám sát lưu lượng đầu cuối qua mạng. Hình 1.2: Ba thành phần của kiến trúc QoS cơ bản. 1.1.2.1 Định dạng QoS và quá trình đánh dấu Để cung cấp các dịch vụ ưu tiên cho từng loại lưu lượng, đầu tiên phải định dạng được lưu lượng. Thứ hai luồng phải được đánh dấu hoặc không. Nếu gói chỉ được định dạng mà không đánh dấu thì phân loại được xem như xảy ra trên từng chặng. Khi sự phân loại gắn liền với thiết bị nó tích hợp trên thì gói không được chuyển tới node kế tiếp. Còn nếu gói được đánh dấu sử dụng cho mạng diện rộng thì các bit cho phép truyền trước precedence được thiết lập. 1.1.2.2 QoS trong thành phần mạng đơn  Quản lý tắc nghẽn: Do lưu lượng video, voice, data có dạng bó, thỉnh thoảng có một số lượng vượt quá tốc độ cho phép lúc này router sẽ làm gì? Nó sẽ chuyển các gói đến đầu tiên ra trước trong một hàng đợi đơn 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 truyền thông nào đến đều không thể vào trong hàng đợi và nó sẽ bị loại bỏ. Việc loại bỏ này là loại bỏ đằng đuôi, điều này có nghĩa là bất kì gói nào đến (thậm chí các gói có độ ưu tiên cao) đến khi hàng đợi đã đầy đều bị loại bỏ. Do đó cơ chế này cần 2 yếu tố: + Luôn chắc chắn rằng hàng đợi không bao giờ đầy để có đủ chỗ cho các gói có độ ưu tiên cao. + Phải có cơ chế loại bỏ các gói có độ ưu tiên thấp trước các gói có độ ưu tiên cao. Phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED) cung cấp đủ hai cơ chế này  Định dạng và bắt giữ lưu lượng + Định dạng: được sử dụng để giới hạn tiềm năng băng thông của luồng. Điều này được sử dụng rất nhiều lần để ngăn chặn vấn đề tràn luồng. Có thể tăng hoặc giảm tốc độ của lưu lượng đến để phù hợp với hiện trạng của mạng. + Bắt giữ: cũng tương tự như định dạng, nó chỉ khác là nếu lưu lượng vượt quá tốc độ cấu hình thì nó không dược đưa vào bộ đêm và có thể bị loại bỏ. 1.1.3 Các tham số của QoS  Latency : Độ trễ khi truyền một gói tin qua mạng  Loss : Độ mất gói  Jitter : Giá thay đổi của gói tin  Throughput: Thông lượng của mạng  Availabily : Độ khả dụng của mạng. 1.1.3.1 Latency Trễ và latency thuộc cùng một nhóm chỉ số thời gian để truyền tải một bit qua mạng từ nguồn tới đích. Hay nói theo cách khác thì latency là thời gian mà mạng lưu giữ gói tin khi truyền nó. Hệ thống có thể chỉ là thiết bị đơn như một Router, hay là tập hợp các router và các đường truyền. Trễ được tạo ra do khoảng cách truyền, các lỗi, lỗi khôi phục, tắc nghẽn, khả năng xử lý của mạng bao gồm truyền dẫn và các nhân tố khác. Tóm lại latency đầu cuối là sự kết hợp của trễ truyền dẫn thông qua mỗi kết nối và trễ xử lý tại mỗi router. Có nhiều dịch vụ, đặc biệt là dịch vụ thời gian thực như truyền thông thoại bị ảnh hưởng rất nhiều bởi trễ. Truyền thông tương tác gặp khó khăn khi độ trễ vượt quá 100-150 ms vì khi trễ vượt quá 200 ms, người sử dụng sẽ thấy ngắt quãng và đánh giá chất lượng thoại ở mức thấp. Có rất nhiều thành phần gây trễ trong mạng cần được tìm hiểu: trễ đóng gói, trễ hàng đợi và trễ lan truyền.  Trễ đóng gói: Là lượng thời gian thực hiện mã hoá /giải mã để chuyển đỏi hai chiều giữa tương tự và số, thời gian thực hiện đóng gói và mở gói (xử lý tín hiệu số thành gói và ngược lại).  Trễ lan truyền: Là lượng thời gian để thông tin truyền trên liên kết là dây đồng, sợi quang hay không dây. Nó cũng là hàm của tốc độ ánh sáng.  Trễ hàng đợi: Được áp đặt vào các gói ở các điểm nghẽn trong lúc nó phải chờ đợi cho tới khi được xử lý trong khi những gói khác được chuyển qua chuyển mạch hay dây dẫn. Hay nói cách khác đây là thời gian gói tin chờ trong hàng đợi để đợi đến lượt mình được xử lý. Hình 1.3: Mô tả latency qua máy đo 1.1.3.2 Mất gói(loss) Khi các gói truyền trong mạng không đến được phía thu, ta gọi đó là hiện tượng mất gói. Đây cũng là một tham số quan trọng của QoS. Nó thường xảy ra khi xuất hiện tắc nghẽn trên đường truyền các gói, làm cho bộ đệm của router bị tràn. Việc mất gói này gây ra mất mát thông tin phía thu, tạo ra trễ khi phải truyền lại các gói bị mất hay truyền thông tin thông báo, điều này làm giảm giá trị của các ứng dụng đa phương tiện và thậm chí gây tắc nghẽn trong mạng. Thường thì độ mất gói ảnh hưởng nhiều tới dịch vụ IP telephony/VoIP hơn là các dịch vụ dữ liệu. Do trong khi truyền thoại thì việc mất nhiều bit hay gói gây ra hiện tượng nhảy thoại gây khó chịu cho người sử dụng. Trong truyền dữ liệu việc mất nhiều bit hay gói gây ra hiện tượng không đều nhất thời trên màn hình song hình ảnh (video) sẽ nhanh chóng được xử lý như trước. Tuy nhiên nếu việc mất gói xảy ra theo dây truyền thì chất lượng của việc truyền dẫn sẽ xuống cấp. Tỉ lệ mất gói nhỏ hơn 5% cho chất lượng tối thiểu và nhỏ hơn 1% cho chất lượng liên đài. 1.1.3.3 Jitter Jitter là sự khác biệt về trễ của các gói khác nhau cùng trong một dòng lưu lượng. Biến động trễ có tần số cao gọi là jitter còn biến động trễ có tần số thấp gọi là wander. Jitter chủ yếu là do thời gian xếp hàng của các gói liên tiếp trong trong một luồng và là vấn đề quan trọng nhất của QoS. Các loại lưu lượng thời gian thực (như thoại) thường chịu được jitter. Khác biệt trong thời gian đến của gói gây ra sự lên xưống của thoại. Tất cả các hệ thống truyền tải đều có jitter. Khi jitter nằm trong khoảng dung sai được định nghĩa trước thì nó không ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ. Khi jitter quá nhiều thì có thể được xử lý bằng bộ đệm, song nó lại làm tăng trễ bộ đệm. Jitter phải nhỏ hơn 60 ms (cho chất lượng trung bình) 20 ms cho chất lượng trung kế. Hình 1.4 : Mô tả hiện tượng jitter qua máy đo 1.1.3.4 Throughput (khả năng thông qua của mạng) Là tốc độ luồng thông tin qua mạng (tính bằng KB/s; MB/s…). Bình thường trong môi trường mạng LAN băng thông càng lớn càng tốt. Đối với từng loại mạng khác nhau cho phép tốc độ luồng thông qua và kích thước gói tin khác nhau. 1.1.3.5 Availability Là tỉ lệ thời gian mạng hoạt động. Độ khả dụng đạt được thông qua sự kết hợp của độ tin cậy thiết bị với khả năng sống của mạng. Độ khả dụng là một tính toán xác suất 1.1.4 Các mức QoS Nói đến các mức dịch vụ là nói đến khả năng thực tế của QoS đầu cuối. Điều này có nghĩa là khả năng của mạng để cung cấp các dịch vụ cần thiết bởi lưu lượng mạng đặc biệt từ đầu cuối tới đầu cuối hoặc từ biên tới biên.Các dịch vụ này khác nhau theo các tham số của QoS như: băng thông trễ, jitter… Các mức dịch vụ:  Dịch vụ best effort: là kết nối cơ sở không đảm bảo,nó được đặc trưng bởi sự sắp xếp vào hàng đợi FIFO,và không có sự khác nhau giữa các luồng  Dịch vụ phân biệt (QoS mềm): một số loại lưu lượng được đối xử tốt hơn bình thường(tốc độ xử lý nhanh hơn,băng thông trung bình lớn hơn,tốc độ mất gói trung bình nhỏ). Đây là sự ưu tiên thống kê, được cung cấp bởi việc phân loại lưu lượng và các công cụ như: PQ,CQ, WFQ, WRED  Dịch vụ đảm bảo(QoS cứng): đây chỉ thuần tuý là sự đặt trước tài nguyên mạng cho các dịch vụ đặc biệt. Được cung cấp thông qua QoS với các công cụ: RSVP,CBWFQ Best effort Different iat ed Q uaranteed Solved - IP internet Ubiquitous connectivity Best effort (IP, IPX, apple talk) Differentiated (first,bussiness, coach class) Guaranteed (banwidth, delay, jitter) Some traffic is more important than the rest Certain applications require specific network resource The network [...]... 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 byte Chính sách Router biên Đánh dấu gói Hàng đợi, quản lý, lập lịch Phân loại DS byte Hàng đợi, quản lý, lập lịch... chính sách quản trị Một node mạng cung cấp các dịch vụ phân biệt bao gồm bộ phân loại cho phép lựa chọn các gói dựa trên trường DS trong phần tiêu đề của gói tin đi cùng với nó là cơ cấu quản lý hàng đợi và lập lịch cho các gói cho phép chuyển các gói theo các cách cư xử khác nhau tuỳ theo trường DS Mô hình bao gồm :  DS byte : byte xác định trường DS trong trường TOS của IPv4 và trường TC trong IPv6 Các... 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 tới chặng kế tiếp Các PHB được chỉ thị bởi các giá trị đặc biệt trong trường DSCP... Diff-Serv được thiết kế để làm việc bên trong một vùng hay đầu cuối qua mạng Internet  Các luật lệ mà xác định dịch vụ là một bộ các lược đồ quản lý trên cơ sở các chính sách b Kiến trúc mạng Diff-Serv: Mạng Diff-Serv bao gồm rất nhiều thành phần mạng và một vài thuật ngữ đặc biệt Tất cả các thành phần này và các cách cư xử liên quan được thiết kế để tách riêng quản lý lưu lượng và tính năng cung cấp dịch... 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 cấp dịch vụ tự trị có riêng các chính sách cung cấp dịch vụ và các nhận dạng PHB Các node bên trong DS biên dịch các giá trị... các mức dịch vụ tốt hơn trong môi trường best effort Dịch vu Diff-Serv mang đến cách tiếp cận không trạng thái điều này tối thiểu hoá sự cần thiết của các node trong mạng Internet để nhớ bất kì điều gì về các luồng Nó không tốt trong việc cung cấp QoS như trong cách tiếp cận có trạng thái nhưng nó thực tế hơn khi truyền trên mạng Internet Các thiết bị Diff-Serv tại biên của mạng đánh dấu các gói theo... các node mạng có thể cung cấp các mức dịch vụ khác nhau thông qua hàng đợi ưu tiên hoặc phân phối băng tần, hay bằng việc chọn lựa các router chuyên dụng cho các luồng lưu lượng đặc biệt Hệ thống quản lý hoạt động điều khiển việc phân phối dịch vụ.kiểu dịch vụ best effort truyền thống của Internet không thể phân biệt giữa các luồng được tạo ra bởi các Host khác nhau Khi các luồng thay đổi thì mạng cung... dịch vụ phân biệt a Các thuật ngữ: Từ các năm về trước,nền công nghiệp đã chuyển hướng sang kiểu dịch vụ phân biệt để cung cấp các cách đối xử với lớp dịch vụ của luồng IP Dịch vụ phân biệt được xem như là sự phát triển của việc sử dụng các trường TOS trong các gói IP Dịch vụ phân biệt là một kiểu CoS (lớp dịch vụ) nhằm nâng cao chất lượng của các dịch vụ best effort trong mạng Nó phân biệt lưu lượng... miền DS liền kề cung cấp các dịch vụ phân biệt liên vùng Các node đường biên DS tồn tại ở biên của mạng DS cũng giống như các node lối vào và lối ra Các node lối vào là quan trọng nhất do nó có nhiệm vụ phân loại và đưa lưu lượng vào trong mạng Thiết lập các bit trong trường IP của các gói tại các biên của mạng Sử dụng các bit này để quyết định xem các gói được truyền đi như thế nào bởi các node điều... mẫu trong trường chỉ ra loại dịch vụ và cách cư xử tiếp theo trong các node mạng Gồm hai trường DSCP (điểm mã dịch vụ phân biệt) và bit CU chỉ thị trạng thái sử dụng  6 bit trong trường DSCP có thể định nghĩa lên đến 64 loại dịch vụ mạng phân biệt  PBH (cách cư xử trên từng chặng) đề cập đến cách cư sử hướng đi ngoại lệ của các gói qua mạng Diff-Serv Giá trị của trường DSCP chỉ thị PHB sử dụng  . TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TRONG MẠNG IP CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QoS Hiện nay lưu lượng trong mạng rất phong phú và đa dạng, mỗi kiểu. (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. . trước trong một hàng đợi đơn 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