NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TRONG MẠNG IP CHƯƠNG 1_2 pot

Nếu mạng chỉ cung cấp được một lớp dịch vụ best effort thì thật khó để đáp ứng được các yêu cầu của các dịch vụ, do đo mạng phải cung cấp được đa lớp dịch vụ thì mới hỗ trợ được các dịch

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT QUẢN LÝ

HÀNG ĐỢI TRONG MẠNG IP

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QoS

1.1.4.2 Dịch vụ tích hợp (Integrated Service)

a Khái niệm

Mục đích của bất kì mạng nào là tối đa hoá hiệu năng của các ứng dụng hay nói cách khác là phải thoả mãn được các yêu cầu dịch vụ Để có thể hỗ trợ được các ứng dụng mới như: voice, video thì mạng phải hỗ trợ được các ứng dụng đa phương tiện mới bằng việc đảm bảo được các yêu cầu của dịch vụ Nếu mạng chỉ cung cấp được một lớp dịch vụ best effort thì thật khó để đáp ứng được các yêu cầu của các dịch vụ, do đo mạng phải cung cấp được đa lớp dịch vụ thì mới hỗ trợ được các dịch vụ này tốt được Việc trộn giữa các lớp dịch vụ với các ứng dụng phải dựa trên yêu cầu của dịch vụ

Nếu mạng hoàn toàn lựa chọn một lớp dịch vụ để phụ thuộc ứng dụng thì ta chỉ cần hỗ trợ một lớp dịch vụ giới hạn Để có các ứng dụng yêu cầu dịch vụ mà nó thực hiện một cách rõ ràng thì mạng phải có lựa chọn được lớp dịch vụ Ngoài ra việc quyết định xem trong mạng có hỗ trợ điều khiển cấp phép hay không cũng là một câu hỏi khó Nếu không có chỉ định cấp phép thì chúng không thể phân định

rõ được các dịch vụ và mạng không thể chỉ rõ được các yêu cầu ứng dụng được cung cấp Điều khiển cấp phép được yêu cầu hiệu năng của các dịch vụ thời gian thực phải được sử dụng tối đa bằng việc loại bỏ đi các yêu cầu cũ của luồng lưu lượng mới Do đó các dịch vụ Internet mở rộng phải phục vụ được các ứng dụng nhạy với độ trễ bằng việc cung cấp đa lớp dịch vụ và việc đảm bảo các tham số bởi điều khiển cấp phép

Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng trong việc cung cấp các dịch vụ thời gian thực (thoại, video) va băng thông cao (đa phương tiện) dịch vụ tích hợp IntServ đã ra đời Đây là sự phát triển của mạng IP nhằm đồng thời cung cấp dịch

vụ truyền thống nỗ lực tối đa và các dịch vụ thời gian thực Các lý do thúc đẩy mô hình này:

 Dịch vụ nỗ lực tối đa không còn đủ tốt nữa, ngày càng có nhiều ứng dụng khác nhau có những yêu cầu khác nhau về đặc tính lưu lượng được triển khai, đồng thời người sử dụng ngày càng yêu cầu cao hơn về chất lượng dịch vụ

 Các ứng dụng đa phương tiện cả gói ngày càng xuất hiện nhiều : mạng IP phải có khả năng hỗ trợ không chỉ đơn dịch vụ mà phải hỗ trợ tích hợp đa dịch vụ của nhiều loại lưu lượng khác nhau

 Tối ưu hoá hiệu suất sử dụng mạng và tài nguyên mạng : tài nguyên mạng sẽ được dự trữ cho lưu lượng có độ ưu tiên cao, phần còn lại dành cho số liệu nỗ lực tối đa

 Cung cấp dịch vụ tốt nhất : mô hình IntServ cho phép nhà cung cấp mạng cung cấp được dịch vụ tốt nhất khác biệt với các nhà cung cấp khác

a1 Các yêu cầu của kiểu mạng tích hợp:

 Tài nguyên phải được quản lý rõ ràng để thoả mãn các yêu cầu của dịch

vụ

 Dịch vụ đảm bảo cho dịch vụ thời gian thực không thể thực hiện được mà không có sự đặt trước

 Mặc dù có các ứng dụng có thể thích nghi động với sự thay đổi của mạng thì vẫn phải thiết lập biên cho độ trễ đầu cuối

 Việc chia xẻ tài nguyên thống kê giữa lưu lượng có tính thời gian thực với lưu lượng phi thời gian thực cùng được thực hiện thông qua cơ sở hạn tầng của mạng thời gian thực Nói cách khác thì mạng Internet được

sử dụng như cơ sở hạ tầng cho cho việc truyền dẫn cả các dịch vụ có tính thời gian thực lẫn phi thời gian thực

a2 Các yêu cầu QoS đối với các dịch vụ IS:

Kiểu dịch vụ mạng lõi liên quan phần lớn tới thời gian truyền gói Hiệu năng dịch vụ phụ thuộc vào độ trễ thấp biến đổi trong khoảng rộng Các ứng dụng thời gian thực là một loại ứng dụng yêu cầu thời gian khắt khe, chỉ cần gói thời gian thực đến muộn hơn thời gian cho phép là gói đó không còn giá trị và có thể bị loại

bỏ Còn các ứng dụng đàn hồi thì luôn chờ cho các gói đến

 Các ứng dụng thời gian thực:

Chia các ứng dụng thời gian thực thành 2 nhóm:

+ Ứng dụng thời gian thực có độ trễ không chấp nhận : có hiệu năng cao nếu đưa ra đường biên trễ cao hơn đáng tin cậy Để hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực khắt khe này thì phải đảm bảo một đường biên trễ đáng tin cậy

+ Ứng dụng thời gian thực tương thích trễ (có độ trễ chấp nhận được): không yêu cầu một đường biên trễ đáng tin cậy Nó có thể chỉnh sửa để phù hợp với sự thay đổi của độ trễ.Các ứng dụng này được gọi là các ứng dụng tương thích Dựa trên các ứng dụng này ta có thể chia ra thành 2 loại:

- Dịch vụ được đảm bảo: đưa ra các dịch vụ có đường biên trễ đáng tin cậy cao trong các độ trễ Dịch vụ này không chỉ cung cấp đảm bảo cho độ trễ đầu cuối

mà còn cả băng thông Để mô tả một luồng sử dụng thuật toán gáo rò.Dựa vào việc

mô tả các luông mạng có thể tính toán các tham số thay đổi mô tả cách nó xử lý như thế nào đối với một luòng, và phối hợp các tham số, tính toán được giá trị trễ lớn nhất của một gói Độ trễ của một gói bao gồm hai thành phần: trễ cố định và trễ hàng đợi Trễ cố định là chức năng của đường được chọn bao gồm cả trễ truyền dẫn, nó được quyết định dựa vào cơ cấu thiết lập Trễ hàng đợi được quyết định bởi các dịch vụ đảm bảo, nó là một chức năng của hai tham số: tốc độ gáo rò và tốc

độ dữ liệu mà các ứng dụng yêu cầu Dịch vụ đảm bảo không điều khiển trễ trung bình hay trễ nhỏ nhất của datagram mà chỉ điều khiển trễ hàng đợi Dịch vu này đảm bảo rằng gói tin sẽ đến trong thời gian truyền yêu cầu và không bị loại bỏ khi hàng đợi bị đầy, cung cấp các lưu lượng của luồng giới hạn bởi các tham sô lưu lượng trên lý thuyết Một đặc điểm của dịch vụ này là không tối thiểu hoá trễ jitter nhưng điều khiển trễ hàng đợi lớn nhất Từ khi đường biên trễ được đảm bảo thì độ yêu cầu về độ trễ đủ thoả mãn cả những hàng đợi dài nhất

- Dịch vụ tải được điều khiển: cung cấp đọ tin cậy công bằng cho mọi độ trễ tuy nhiên không hoàn toàn là tin cậy Các dịch vụ này không cố gắng giới hạn

độ trễ của mỗi gói, nhưng lại quan tâm tới sự phân bố trễ Nó cung cấp hiệu năng

tốt hơn so với các dịch vụ best effort Nó gần giống như hoạt động đầu cuối được cung cấp cho các dịch vụ best effort trong trường hợp dưới mức phi tải Lý thuyết cho rằng bên dưới điều kiện phi tải thì tỉ lệ các gói được truyền đến phía đầu cuối bên kia là rất cao, và độ trễ truyền dẫn thì không chênh lệch nhiều so với độ trễ truyền nhỏ nhất Dịch vụ tải điều khiển này có mục đích hỗ trợ cho các lớp dịch vụ thời gian thực tương thích với trễ Các dịch vụ này làm việc tốt trong môi trường phi tải nhưng bị suy thoái nhanh chóng dưới điều kiện tràn tải Mạng phải đảm bảo rằng tài nguyên băng thông và tiến trình xử lý gói phải có giá trị để xử lý các mức dịch vụ yêu cầu Các dịch vụ tải được điều khiển không bắt buộc sử dụng các giá trị tham số cho mục đích đặc biệt như: độ trễ, độ mất gói Việc chấp nhận dịch vụ tải được điều khiển chỉ đơn thuần là một cam kết để cung cấp các luồng có dịch vụ gần như tương đương với việc cung cấp cho lưu lượng không điều khiển được bên dưới điều kiện có tải nhẹ Luồng dịch vụ tải được điều khiển có thể có ít hoặc không có trễ hàng đợi gói trung bình

 Các ứng dụng đàn hồi:

Các ứng dụng đàn hồi luôn luôn chờ các gói đến Đặc điểm chính của các ứng dụng này là chúng sử dụng dữ liệu ngay lập tức chứ không để chờ trong bộ đệm,và luôn chờ gói đến để xử lý chứ không bắt đầu quá trình khi không có gói Nhìn chung đối với việc phân phối trễ được đưa ra thì các ứng dụng này phụ thuộc nhiều vào độ trễ trung bình

b.Mô hình dịch vụ IntSer

 Giao thức thiết lập : setup cho phép máy chủ và các router dự trữ động tài nguyên trong mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng riêng

 Đặc tính luồng : xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho các luồng riêng biệt

 Điều khiển lưu lượng : trong các thiết bị mạng (máy chủ, router, chuyển mạch ) có thành phần điều khiển và quản lý tài nguyên mạng cần thiết

để hỗ trợ QoS theo yêu cầu Các thành phần điều khiển lưu lượng này có thể được khai báo bởi giao thức báo hiệu như RSVP hay nhân công Thành phần này bao gồm :

 Điều khiển chấp nhận : xác định thiết bị mạng có khả năng hỗ trợ QoS theo yêu cầu hay không

 Thiết bị phân loại : nhận dạng và lựa chọn lớp dịch vụ dựa trên nội dung của một số trường trong nhất định trong phần mào đầu của gói tin

 Thiết lập lập lịch : cung cấp các mức chất lượng dịch vụ QoS trên

kênh ra của thiết bị mạng

Hình 1 8 : Mô hình dịch vụ tích hợp

ứng dụng

Phân loại

Setup

Lập lịch

Setup Giao thức

định tuyến/

database

Phân

điều khiển chấp nhận

Các bản tin setup đặt trước

IP Data

1.1.4.3 Các dịch vụ Best effort

Đây là kiểu mạng hiện hành đang được sử dụng Hầu hết các ứng dụng dữ liệu đều được vận hành theo cách này Chúng đợi dữ liệu đến và xử lý chúng càng sớm càng tốt ngay khi nhận được Lớp dịch vụ này sẽ hỗ trợ thêm cho lớp lưu lượng thời gian thực Các ứng dụng có thể lựa chọn sử dụng một trong các lớp dịch

vụ đó, và khi chúng thấy không thể chấp nhận được độ trễ đó thì có thể sử dụng một trong các lớp dịch vụ khác Lớp dịch vụ best effort thì không có TSpec hoặc RSpec, không có đảm bảo từ mạng và mạng không thực hiện bất kì điều khiển cấp phép nào Các mạng kiểu này không cung cấp bất kì một tính năng đặc biệt nào để khôi phục lại các gói bị mất hoặc bị hỏng Các dịch vụ được cung cấp bởi các hệ thống đầu cuối

Trong chồng giao thức TCP/IP thì TCP cung cấp các dịch vụ đảm bảo trong khi IP cung cấp kiểu truyền Best effort (không có đảm bảo), nó sẽ cố gắng truyền các gói đến đích nhưng không có chức năng khôi phục lại các gói bị mất hay truyền sai Bộ giao thức Internet trước đây chỉ bao gồm giao thức TCP/IP Trong quá trình phát triển thì các nhà thiết kế đã nhận ra tầm quan trọng của thời gian truyền hơn là độ tin cậy truyền Nói cách khác là quan tâm tới tốc độ hơn là việc khối phục các gói Trong kiểu truyền voice, video thời gian thực thì một số góí bị mất có thể bỏ qua được bởi việc khôi phục lại có thể tạo ra phần tiêu đề quá lớn làm giảm hiệu năng của mạng Để cung cấp loại lưu lượng thì TCP đã được tổ chức lại trong TCP, IP, UDP Các dịch vụ chuyển gói và đánh địa chỉ cơ bản trong lớp mạng được thực hiện bởi IP TCP,UDP nằm ở lớp truyền tải, phía trên của IP Tất cả đều sử dụng dịch vụ của IP, UDP là một phiên bản của TCP chấp nhận các dịch vụ Best effort của IP Các ứng dụng có thể sử dụng UDP khi không cần các dịch vụ của TCP Đối với các dịch vụ Best effort việc loại bỏ các gói có thể chấp nhân được do việc 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 bị loại bỏ nhằm mục đích báo hiệu tắc nghẽn cho phía người gửi biết Khi có gói bị mất trong mạng thì phía thu sẽ gửi bản tin thông báo không nhận được gói đó cho phía gửi biết để gửi lại gói Cơ chế này gọi là cơ chế điều khiển tắc nghẽn, cơ chế điều khiển luồng

1.2 Điều khiển tắc nghẽn

1.2.1 Khái niệm

Trong các mạng chuyển mạch gói, các gói tin đi vào và đi ra các bộ đệm, hàng đợi hay thiết bị chuyển mạch giống như khi nó được chuyển qua mạng Một đặc điểm quan trọng của mạng là các gói tin đến dưới dạng bó từ một hoặc nhiều nguồn khác nhau Các bộ đệm sẽ giúp các router thu hút các bó cho đến khi chúng nhận được Khi các bó đến vượt quá kích thước bộ đệm thì các gói đến sau sẽ bị loại bỏ Việc tăng bộ đệm không phải là giải pháp do nếu kích thước bộ đệm quá lớn thì sẽ tạo ra trễ lớn Tắc nghẽn xảy ra khi lưu lượng từ nhiều tuyến đổ dồn về một tuyến và tuyến này không có khả năng xử lý hết được Tắc nghẽn cũng xảy ra ngay bên trong bản thân router tại mạng lõi của mạng khi các node nhận được nhiều lưu lượng hơn so với thiết kế của nó Khi mạng xảy ra tắc nghẽn nếu không được xử lý kịp thời sẽ gây ra các hậu quả nghiêm trọng: các gói tin không được xử

lý, không chuyển được đến đầu cuối người nhận sẽ ùn tắc trong mạng,mạng không hoạt động được trong thời gian dài sẽ khong thể truyền tải được dữ liệu,các thành phần có thể bị hư hỏng Do đó vần đề quan trọng cần phải là phải điều khiển đuợc

tắc nghẽn trong mạng Đó có thể hành động điều khiển ngay khi có tắc nghẽn để phòng tránh tăc nghẽn và cũng có thể là điều khiển tắc nghẽn khi nó đã xảy ra

Các tính năng của điều khiển tắc nghẽn cho phép điều khiển bằng việc sắp xếp lại các gói được gửi ra giao diện trên cơ sở ấn định các độ ưu tiên cho các gói Quản lý các gói yêu cầu phải đưa ra các loại hàng đợi, ấn đinh các gói vào hàng đợi bằng việc phân lớp các gói, sau đó lập lịch các gói và đưa ra đường truyền Tính năng quản lý hàng đợi trong QoS cung cấp 4 loại giao thức hàng đợi khác nhau, chúng sắp xếp các loại lưu lượng có mức độ khác nhau được gửi đi Trong các chu kỳ của lưu lượng nếu không có tắc nghẽn thì các gói sẽ được gửi đi với tốc

độ như khi nó đến, nếu xảy ra tắc nghẽn thì các gói sẽ đến với tốc độ lớn hơn tốc

độ truyền nó ở giao diện đầu ra Nếu ta dùng các chức năng quản lý tắc nghẽn thì các gói bị ứ đọng tại giao diện sẽ được sắp xếp vào hàng đợi để gửi đi cho đến khi giao diện rỗng Sau đó được lập lịch để gửi đi tuỳ theo độ ưu tiên được ấn định cho từng gói và cơ cấu hàng đợi được thiết kế cho từng giao diện Router thực hiện trình tự truyền dẫn của các gói bằng việc điều khiển xem gói nào được đặt trong hàng đợi nào và hàng đợi đó được phục vụ như thế nào với sự ảnh hưởng của hàng đợi khác

Trong các mạng hỗn tạp bao gồm nhiều các giao thức khác nhau được sử dụng bởi nhiều ứng dụng thì điều qua trọng là phải ưu tiên hoá các lưu lượng để có thể vừa truyền được các lưu lượng yêu cầu tính thời gian thực cao vừa truyền được các lưu lượng không yêu cầu thời gian thực Các loại lưu lượng khác nhau cùng chia xẻ một đường truyền dữ liệu có thể ảnh hưởng lẫn nhau khi chúng cố gắng thể hiện các ứng dụng của mình Nếu mạng được thiết kế để hỗ trợ các loại lưu lượng khác nhau cùng chia xẻ một đường truyền dữ liệu giữa các router thì có thể sử dụng các kĩ thuật điều khiển tắc nghẽn để chắc chắn rằng mọi đối xử với các gói khác nhau là công bằng

Một số lưu ý trong quản lý tắc nghẽn:

 Sự ưu tiên lưu lượng đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng nhạy với

độ trễ và dựa trên cơ sở giao dịch tương quan,tuy nhiên việc sử dụng hàng đợi WFQ đảm bảo rằng tất cả lưu lượng đều được đối xử như nhau

 Sự ưu tiên được sử dụng hiệu quả nhất trong các kết nối WAN nơi mà sự phối hợp giữa lưu lượng dạng bó và các luồng dữ liệu có tốc độ thấp hơn

có thể gây ra tắc nghẽn tạm thời

 Tuỳ thuộc vào kích thước gói trung bình mà sự ưu tiên cũng hiệu quả hơn khi được gửi tới các kết nối có tốc độ bằng luồng T1/E1 hoắc thấp hơn

1.2.2 Các kỹ thuật được sử dụng trong quản lý tắc nghẽn

 Điều khiển luồng phía đầu cuối: đây không phải lược đồ điều khiển tắc nghẽn nhưng cũng là cách để tránh trường hợp phía phát gửi quá nhiều lưu lượng vượt quá cả không gian bộ đệm phía thu

 Điều khiển tắc nghẽn mạng: trong lược đồ này, các hệ thống đầu cuối giảm tốc độ của luồng lưu lượng để tránh tắc nghẽn trong mạng, cơ chế này tương tự như điều khiển luồng đầu cuối, nhưng mục đích chính là để giảm tắc nghẽn trong mạng chứ không phải phía thu

 Tránh tắc nghẽn trên cơ sở mạng: trong lược đồ này, router sẽ cố gắng

dò tìm ra tắc nghẽn khi nó có khả năng xảy ra, và cố gắng giảm tốc độ của luồng đầu vào trước khi hàng đợi hàng đợi đầy

 Phân phối tài nguyên: kỹ thuật bao gồm tiến trình lập lịch có sử dụng các mạch vật lý hoặc các nguồn tài nguyên khác Một mạch ảo được xây dựng qua nhiều chuyển mạch cùng với băng thông đảm bảo cũng là một