NGUYÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH LẬP LỊCH TRONG MẠNG IP CHƯƠNG 2_1 potx

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG MẠNG Đề tài: NGUYÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH LẬP LỊCH TRONG MẠNG IP CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC CQS 2. 1 Tổng quan về kiến trúc CQS Mục đích của QoS là cung cấp các dịch vụ giao nhận thông tin tin cậy cho những lớp hay loại lưu lượng nào đó mà không quan tâm tới các loại lưu lượng khác đang cùng ở trong mạng. Tuyến đường mà gói phải đi qua để đến đích là một chuỗi các tuyến link và nút mạng (router hoặc switch). Do đó vấn đề trước tiên phải quan tâm là quá trình lưu và chuyển gói tại các nút mạng diễn ra như thế nào. Với một route truyền thống điều quan tâm nhất của nó là cần gửi gói đi đâu. Quyết định chuyển gói dựa trên địa chỉ đích của mỗi gói và thông tin trong bảng định tuyến của router. Nhưng những router cần cho mạng có đảm bảo chất lượng dịch vụ thì phải điều khiển thời điểm gửi gói tức là quan tâm khi nào cần gửi gói. Sau đây ta xem xét sâu hơn những thành phần của router ảnh hưởng tới thời điểm chuyển gói. Mỗi router là một điểm hội tụ hay phân kì của một gói. Trong phần lớn các mạng, lưu lượng đến theo từng đợt thay đổi thất thường. Rất hay xảy ra trường hợp nhiều đợt gói đến từ các tuyến vào khác nhau đến cùng một tuyến ra (mà bản thân tuyến ra chỉ có dung lượng hữu hạn) làm cho router nhận được số gói vượt quá khả năng phân phát tức thời của nó. Ví dụ lưu lượng hội tụ từ nhiều tuyến Ethernet 100Mbps dễ dàng vượt quá dung lượng 155Mbps/STM-1 của tuyến ra. Để đối phó với trường hợp này, tất cả các router đều có các bộ đệm bên trong(các hàng đợi-queues) để lưu trữ những gói thừa khi chúng có thể được chuyển . Khi đó các gói này sẽ chịu thêm độ trễ, hay có thể nói router chịu mọt sự ứ nghẽn tức thời . Trễ của gói từ nguồn tới đích bao gồm nhiều thành phần nhưng phần trễ do bộ đệm kể trên rất thất thường, nó thay đổi ngay cả giữa các gói tới đích. Ngoài ra khi hết dung lượng bộ đệm thì gói đến phải bị huỷ và tỉ lệ mất gói cũng là một yếu tố không thể kiểm soát được. Với các hàng đợi vào trước- ra trước sẽ không có các cơ chế để phân tách các loại lưu lượng khác nhau, lưu lượng này sẽ ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ của lưu lượng kia khi vượt qua cùng một hàng đợi. Một số loại lưu lượng (như những kết nôi TCP truyền điện tử-email) chịu được trễ tốt hơn việc mất gói thì muốn các hàng đợi dài. Tuy nhiên có những loại (như UDP mang tín hiệu voice ) muốn hàng đợi càng ngắn càng tốt, những gói bị giữ lâu (trễ lớn) nên được huỷ bỏ vì không còn cần thiết nữa . Hinh 2. 1 :Hàng đợi vào trước ra trước trong router C ổ ng ra M Hàng đợi FIFO . . . . Cổng 1 C ổ ng n Chiều dài L gói Để giải quyết vấn đề trên người ta đưa ra cơ chế Classification, Queuing, Scheduling. Thay vì chỉ có một hàng đợi phục vụ cho mọi loại lưu lượng, người ta sử dụng nhiều hàng đợi (với dung lượng và chính sách huỷ gói khác nhau) phù hợp với yêu cầu chất lượng dịch vụ của từng lớp lưu lượng cần phục vụ. Classification thực hiện phân loại gói và chỉ định hàng đợi phù hợp cho từng gói. Các hàng đợi vẫn phải chia sẻ cùng một dung lượng tuyến ra (output link) hữu hạn, cần một cơ chế đặt ra lịch phục vụ (Scheduling) từng hàng đợi (để chuyển gói từ các hàng đợi ra outputlink). Các router như vậy gọi là kiến trúc CQS. Hình 2. 2 Classify, Queue, Schedule trong router Ví dụ thực tế của việc xử lý CQS rất hiệu quả trong ngành công nghiệp hàng không. Các khu vực đăng kí đi máy bay sử dụng dạng kiến trúc CQS để cung cấp các mức dịch vụ cho các lớp khách hàng khác nhau. Thời điểm tắc nghẽn được miêu tả bằng việc tập hợp các tác nhân có thể xử lý cho các hành khách một cách nhanh nhất có thể ở một tốc độ vừa phải không đổi(không xét đến thời gian xử lý cho những hành khách khó tính). Tốc độ kết nối của thời điểm tắc nghẽn được tính bằng tổng các tốc độ xử lý của các tác nhân đối với các hành khách đăng kí đi máy bay. (Hãng hàng không có thể thêm hoặc chuyển các tác nhân để làm thay đổi tốc độ này). Các hành khách đến đăng kí đi máy bay là một quá trình bùng nổ, nó có Cổng ra M Hàng đợi . . . . C ổng 1 C ổng N Hàng đợi Hàng đợi . . . . . . . Ph â n lo ại (Cl as sify) Schedule thể kéo dài hàng giờ trước lịch trình khởi hành của máy bay. Hầu hết chúng ta đều biết đến các hàng đợi được xây dựng cho các hành khách đến đột ngột. Nếu có nhiều hành khách đến, thì có thể có hành khách phải đợi khá lâu mới đến lượt mình được đăng kí đi máy bay. Các công ty hàng không sẽ thực hiện việc cung cấp dịch vụ đăng kí đi máy bay cho những hành khách đóng phí bảo hiểm của họ. Để làm được điều đó, các đường line riêng phải được thiết lập trước cho các tác nhân đăng kí đi máy bay. Việc phân loại hành khách vào hàng đợi phù hợp là một cách. Thỉnh thoảng các công ty hàng không sẽ chuyển nó tới hành khách để họ tự lựa chọn hàng đợi phù hợp; ở các lần khác đại diện của công ty hàng không sẽ thực hiện kiểm tra vé và đưa mọi người vào hàng đợi phù hợp với vé của họ hoặc vào lớp những người bay thường xuyên. Các giá trị tại đây bộ phân loại không cần phải ghi thành một phần thông tin riêng, nó chỉ có tác dụng nâng tầm quan trọng của thông tin lên mà thôi. Ví dụ, tuy rằng nhận thực của các hành khách (tên) là rất quan trọng trong quá trình đăng kí đi máy bay, tên của mọi người rất nhiều nhưng nó lại không ảnh hưởng tới nhiệm vụ của hàng đợi trong quá trình đăng ký đi máy bay. Việc lôi kéo hành khách từ một trong các hàng đợi là kết quả quyết định của bộ lập lịch. Đặc biệt, các tác nhân đăng kí đi máy bay được thiết kế chuyên dụng cho mỗi hàng đợi(lớp hành khách), cung cấp tốc độ dịch vụ tối thiểu mà không chú ý tới sự ảnh hưởng của các hàng đợi khác. Để đạt được hiệu suất sử dụng cho các tác nhân, khi một hàng đợi có độ ưu tiên cao rỗng, các tác nhân thường kết hợp xử lý cho các hành khách ở các hàng đợi có độ ưu tiên thấp. Bằng cách phân phối thích hợp các tác nhân đăng kí đi máy bay, các hành khách có phí bảo hiểm được qua nhanh hơn (các line ngắn và vì thế biến động trễ thấp) và có thể dự đoán (jitter thấp) dịch vụ đăng kí đi máy bay sẽ thấp hơn trong các lớp đó. Kiến trúc CQS bao gồm ba phần chính là :  Phân loại  Quản lý hàng đợi  Lập lịch Tuy nhiên đồ án này chỉ nghiên cứu về phần lập lịch . Nội dung của phần lập lịch sẽ được xét trong chương 3. 2. 2. Các chức năng của kiến trúc CQS 2. 2. 1 Định hình lưu lượng Với kiến trúc CQS cho phép chia tách, không cho các loại lưu lượng ảnh hưởng sang nhau. Qua đó cũng thực hiện được sự ưu tiên với các loại lưu lượng cần chất lượng dịch vụ cao. Tuy nhiên cần đặt ra những giới hạn để các loại lưu lượng không được ưu tiên vẫn có được chất lượng dịch vụ tối thiểu cũng như đảm bảo băng thông cho những loại được ưu tiên khi tải trong mạng lớn. Đặt ra các giới hạn băng thông cho một lớp lưu lượng được gọi là định hình lưu lượng (traffic shaping). Đây là một chức năng trong kiến trúc CQS . Nó kết hợp với chức năng lập lịch (scheduling) để qui định mức tần xuất phục vụ với từng hàng đợi hoặc khoảng thời gian giữa hai lần lấy gói ra ở cùng một hàng đợi. Định hình lưu lượng cung cấp một cơ chế điều khiển lưu lượng tại một giao diện cụ thể. Nó giới hạn lưu lượng thông tin đi ra khỏi giao diện để tránh làm mạng bị tắc nghẽn bằng các ràng buộc tốc độ thông tin đi ra ở một tốc độ bit cụ thể đối với từng loại lưu lượng tránh trường hợp tốc độ bit tăng đột ngột. Hình 2. 3 Cơ chế traffic shaping trong router Ta có thể hình dung cơ chế định hình lưu lượng như khi chúng ta dùng phễu để rót nước vào bình hoặc chai. Dùng ca múc nước vào phễu theo từng đợt nhưng nước chảy vào chai từ từ, ổn định nên ta dễ dàng kiểm soát được lượng nước trong chai để không bị tràn. Phễu cổ to thì nước chảy nhanh, cổ nhỏ thì chạy chậm. Nếu lúc nào cũng có nước trong phễu thì nước chảy vào trong chai là một dòng liên tục với tốc độ ổn định Hình 2. 4 Minh hoạ cơ chế định hình lưu lượng 1 2 3 4 Gói đến . . . . Hàng đợi C ổng 1 Hàng được định hình Ít nhất Tgiây giữa hai lần Cổng M Schedule 1 2 3 4 Gói đi 2. 2. 2 Hợp đồng lưu lượng Khi có quá nhiều gói đến trong một khoảng thời gian ngắn, thì việc huỷ gói là không thể tránh khỏi. Nhưng việc huỷ gói phải tuân theo một số hợp đồng (policy). Quá trình này được gọi là traffic pilicing. Giống như định hình lưu lượng, policing cũng là một công cụ giới hạn tốc độ bit (rate-limiting tool) tạm dịch là kiểm soát lưu lượng. Chính sách huỷ gói có thể là đơn giản huỷ những gói mới đến khi không còn chỗ trong hàng đợi (queue) hay phức tạp hơn là có quan tâm tới thuộc tính của gói bị huỷ, đặc điểm của loại lưu lượng . 2. 2. 3 Phân mảnh hàng đợi Đôi khi bộ lập lịch của một router thực hiện chèn lưu lượng một cách đơn giản tại mức gói tin IP. Bộ lập lịch có khả năng chèn lưu lượng của mỗi gói có thể được kết nối từ bên ngoài một cách nhanh chóng vào các hàng đợi khác nhau. Với các kết nối tốc độ cao(như các kênh SONET hoặc SDH tốc độ 155Mb/s) một gói tin IP 1500 byte có thể truyền dẫn trong khoảng nhỏ hơn 80ms. Điều này cho phép bộ lập lịch chia băng thông của liên kết thành các khe có độ dài 80ms-một con số rất hợp lý, và nó có thể tách 20ms cho các kênh có tốc độ 622Mb/s(OC-12 hoặc STM-4). Dù sao, tại mức biên của mạng Internet cũng có nhiều kết nối được vận hành với tốc độ 1Mb/s hoặc chậm hơn. Gói tin IP 1500 byte chiếm 94ms để truyền dẫn với tốc độ kết nối là 128Kb/s, và việc đóng khối kết nối được hoàn thành trong thời gian này. Bất chấp mọi sự ảnh hưởng của biến động trễ, lưu lượng được phân loại vào các hàng đợi khác nhau, các gói đó sẽ chịu jitter là 94ms khi bộ lập lịch giữ các gói 1500 byte từ một hàng đợi khác. Rõ ràng điều này đặt ra một số vấn đề nếu các ứng dụng bị ảnh hưởng bởi QoS được cung cấp bởi khía cạnh xa hơn của các kết nối truy nhập tốc độ thấp. Cách giải quyết cơ bản là tiến hành thêm các đoạn của các gói IP tại các mức kết nối trong một lớp IP riêng biệt. Kiến trúc CQS được ứng dụng tại các mức kết nối bằng các mảnh hàng đợi chứa các gói lớn hơn, vì thể cho phép bộ lập lịch có thể chèn vào tại các đường ranh giới của đoạn. Điều này được mô tả như hình vẽ: Hình 2. 5 Phân đoạn trước bộ lập lịch 2. 3. Đánh dấu và sắp xếp lại Mặc dù định hình có thể là một giải pháp tinh vi để làm giảm sự bùng nổ lưu lượng nhưng các chính sách đơn giản lại là một công cụ không nhạy bén. Một số giá trị thay đổi được đưa ra có thể làm giảm hiệu quả của chính sách định tuyến ở router biên. Chính sách tại mỗi node có thể được lựa chọn chỉ để đánh dấu các gói (đúng hơn là loại bỏ chúng ngay lập tức) nếu chúng vượt quá ngưỡng tràn. Các router tiếp theo sẽ thừa nhận rằng các gói đã bị đánh dấu và chúng có độ ưu tiên thấp hơn so với các gói không bị đánh dấu. Nếu tắc nghẽn tạm thời làm đầy các hàng đợi trong router lõi, thuật toán quản lý hàng đợi có thể bắt đầu tách các gói đã bị đánh dấu trước khi tách các gói không bị đánh dấu. Khi thêm thiết bị lọc, các chính sách ở node gốc có thể sẽ bổ sung thêm ngưỡng bùng nổ kép (một ngưỡng cao và một ngưỡng thấp), nếu một gói bùng nổ vượt quá ngưỡng thấp, các gói đến sau bị đánh dấu và được truyền đi, nếu bùng nổ tiếp tục và vượt quá ngưỡng bùng nổ cao các gói sẽ bị tách khỏi hàng đợi. Chính sách tại các node phải bổ sung các mức của tốc độ gói đến trung bình “cho phép”-tốc độ này thấp hơn tốc độ của các Cổng N Phân loại(Classify) Đoạn hàng đợi Đoạn hàng đợi . . . . . . . Schedule Công tốc độ thấp Đoạn hàng đợi P H Â N M Ả N H G Ó I . . . . Cổng 1 gói đã được xác định là không bị đánh dấu và cao hơn ngưỡng mà các gói có thể bị tách. Nhiều thuật toán có thể được đưa ra để cung cấp các mức được đánh dấu và tính toán giá trị ngưỡng. Dù sao người thiết kế mạng đặt ra kế hoạch sử dụng lưu lượng bị đánh dấu ở biên cũng cần cẩn thận khi lựa chọn các router lõi. Mối quan tâm chính là khả năng sắp xếp lại các gói bị đánh dấu và không bị đánh dấu trong lớp lưu lượng . Giải pháp này có thể xảy ra nếu router lõi sử dụng hai hàng đợi riêng biệt cho các gói bị đánh dấu và các gói không bị đánh dấu. Điều này được mô tả như trong hình vẽ : Vì các gói bị đánh dấu có độ ưu tiên thấp nên khi thực hiện phải lựa chọn để đảm bảo độ ưu tiên bằng cách ấn định lập lịch băng thông cho các hàng đợi của các gói bị đánh dấu và không bị đánh dấu. Hậu quả là các gói bị đánh dấu đến trước Hình 2. 6 Các hàng đợi cho các gói đánh dấu và không đánh dấu Schedule Cổng M Hàng đợi(bị đánh dấu) Hàng đợi(ko đánh dấu) Phân loại Cổng N Ko đánh dấu Đánh dấu Đánh dấu Ko đánh dấu Lệnh đến Lệnh đi các gói không bị đánh dấu có thể tìm thấy bộ lập lịch của nó để truyền dẫn trước các gói không bị đánh dấu. . Các gói bị đánh dấu tạo thành tất cả các đường khác tới điểm cuối và bên nhận có thể nhận được các gói không hợp lệ. Mặc dù IP không thực hiện ngăn ngừa các gói sắp xếp lại trên mạng, nhưng điều này có thể bỏ qua vì hầu hết các giao thức xuyên suốt không thể thực hiện bằng tay trong trường hợp này một cách hiệu quả . Trong mạng việc đánh dấu được mong đợi là sẽ làm tăng thêm các gói có thể bị tách khỏi hàng, giải pháp này cũng rất khó khăn. Các router lõi ban đầu không để ý đến chính sách xử lý gói khi phân loại các gói vào các hàng đợi, đảm bảo tất cả các gói trong lớp lưu lượng đều được đặt vào một hàng đợi bất chấp cả quyền ưu tiên tách gói. Ngưỡng tách gói của mỗi hàng đợi được xác định trên cơ sở gói bị đánh dấu hoặc không. Thuật toán tách gói của các router lõi vì thế hoạt động linh hoạt đối với các gói bị đánh dấu, dành được quyền xử lý tại mức biên. 2. 4. Các ứng dụng của kiến trúc CQS Để định hướng các gói qua các hop tiếp theo một cách thích hợp các router phải bổ sung thêm bộ phân loại, hàng đợi và lập lịch. Kiến trúc CQS cung cấp các đặc điểm định hướng khác biệt đó. Thêm vào đó, các kết nối cần có phần dự đoán QoS của mình phù hợp với việc cung cấp của các router thực tế. Trong phần 3. 1 này sẽ giới thiệu về một router có QoS và kiến trúc CQS (router này được gọi là router nguồn), việc xây dựng các dịch vụ end-to-end ví dụ như DiffServ và IntServ. 2. 4. 1. Router nguồn Một router nguồn chỉ có một vài khối chức năng cơ bản sau:  Các giao diện  Khối định hướng [...]... giây Chính sách và đánh dấu Khối chuyển mạch Quản lý hàngđợi, lập lịch Cácbảng định hướng in put Phân loại gói FIB FIB IP header IP payload FIB Hình 2 8 Phân loại, quản lý hàng đợi và lập lịch cho Per-hop 2 4 2 Các dịch vụ ứng dụng 2 4 2 1 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... 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... triển trên mạng Mạng kiểu best effort không còn phù hợp với các kiểu dịch vụ mới như: thoại, video yêu cầu độ trễ nhỏ Thông thường đối với các ứng dụng thoại thì độ trễ . ĐỒ ÁN HỆ THỐNG MẠNG Đề tài: NGUYÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH LẬP LỊCH TRONG MẠNG IP CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC CQS 2. 1 Tổng quan về kiến trúc CQS Mục đích của. hàng đợi  Lập lịch Tuy nhiên đồ án này chỉ nghiên cứu về phần lập lịch . Nội dung của phần lập lịch sẽ được xét trong chương 3. 2. 2. Các chức năng của kiến trúc CQS 2. 2. 1 Định hình lưu. hàngđợi, lập lịch Phân loại gói 2. 4. 2. Các dịch vụ ứng dụng 2. 4. 2. 1 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