I. NHU CẦU VỀ QOS VÀ CÁC MÔ HÌNH QOS: 1.1. Nhu cầu về QoS: - Theo truyền thống, khi nhu cầu về băng thông tăng lên, hiện tượng nghẽn mạng có thể xảy ra. Giải quyết hiện tượng này bằng cách tăng băng thông kết nối hoặc dùng thiết bị phần cứng khác thay thế. Nhược điểm cách này là không chỉ ra cách thức để ưu tiên một loại traffic này so với một traffic khác. - QoS là một công cụ tổng thể được dùng để bảo vệ, ưu tiên một số traffic quan trọng hoặc các traffic đòi hỏi xử lý nhanh về thời gian. QoS sẽ mô tả cách thức packet được chuyển mạch như thế nào (yếu tố how). Nếu không có QuoS, các router hoặc switch chỉ đơn thuần quyết định là một packet có được fw hay không. (yếu tố if) - Các ứng dụng khác nhau sẽ có các nhu cầu khác nhau cho việc truyền dữ liệu. Ví dụ web, video, audio… - Khi một packets đi từ host này đến host kia, một gói tin (packet) có thể gặp các vấn đề: • Delay: do routers xử lý tìm kiếm trong bảng routing table, thời gian packet truyền trên đường truyền. • Jitter: các packets không đến đúng như thời gian dự định. Các dữ liệu dạng audio sẽ bị ảnh hưởng nhiều bởi vấn đề này. • Loss: mất packets 1.2. Các mô hình QoS: BEST-EFFORT DELIVERY: - Một network chỉ đơn thuần forward những packets mà nó nhận được. - Switch và routers chỉ cố gắng hết sức (best-effort) để forward packets đi mà không bận tâm đến kiểu của traffic hay độ ưu tiên của dịch vụ. INTEGRATED SERVICE MODEL - Sắp xếp đường đi trước từ nguồn đến đích cho các dữ liệu được ưu tiên. - RSVP (RFC 1633) là một protocol dạng này. - RSVP sẽ yêu cầu trước băng thông và giữ (reserve) bw trên cả đường đi từ nguồn đến đích. - Mỗi thiết bị mạng trên đường đi phải kiểm tra xem nó có thể hỗ trợ cho yêu cầu trên hay không. Khi yêu cầu tối thiểu được đáp ứng, ứng dụng nguồn sẽ được thông báo xác nhận. Sau đó, ứng dụng có thể sử dụng đường truyền. DIFFERENTIATED SERVICES MODEL - Giải pháp IntServ tỏ ra không hiệu quả và không có khả năng mở rộng khi nhiều source phải cạnh tranh với nhau về băng thông. - Trong giải pháp differentiated, mỗi routers và switch sẽ quản lý packets riêng lẻ. Mỗi routers sẽ có một chính sách riêng để quản lý và sẽ tự quyết định cách thức chuyển packet theo cách riêng. - IntServ sẽ quản lý theo kiểu per-flow, trong khi Difserv sẽ quản lý theo kiểu per-hop. - Diffserv sẽ quyết định chính sách QoS dựa vào cấu trúc của gói IP. - Course switching sẽ tập trung vào Diffserv. II. DIFFSERV QOS - Mỗi router và switch sẽ kiểm tra packets để quyết định sẽ fw packet đó như thế nào. - Đối với packets, nó chỉ đơn thuần gán vài thông số vào header. Các thông số có thể là phân loại (classifications, marking…)Packet sẽ giả sử routers và switch biết cách handle nó. - Việc phân loại có thể diễn ra ở Layer-2 hoặc Layer-3 - Layer2: Thông thường, một layer frame sẽ không có trường( field ) nào để phân loại frame. Tuy nhiên, khi frame được truyền giữa switch và switch, frame có thể được phân loại dựa vào CoS. CoS: được dùng trên đường trunk switch-switch. - Hai kiểu trunking sẽ quản lý giá trị CoS này rất khác nhau: • ISL: 4 bit user-id sẽ được dùng để chỉ ra giá trị CoS của frame. • Dot1q: user-field sẽ được dùng để chỉ ra giá trị CoS. Các frame từ native vlan sẽ nhận giá trị CoS mặc định. - Layer3: DSCP. 2.1. Class of services: - Trên đường trunking, frame được thêm vào tagging. - Dot1q: mỗi frame được thêm vào 12-bit vlan-id và một field gồm 3 bit để chỉ ra độ ưu tiên. Những frame đến từ native-vlan sẽ được cấu hình giá trị mặc định. - ISL: có 4 bit trong user-field. Dùng 3 bit thấp nhất để gán priority. 2.2. Layer 3 DSCP: - Dùng Tos trong ip datagram - Giá trị DSCP có cùng vị trí trong header giống như TOS nhưng sẽ được diễn dịch khác. - Xem thêm bảng chuyển đổi trong giáo trình. 1. Các đặc điểm nổi bật của cơ chế RSVP trong mô hình tích hợp dịch vụ (IntServ Model) - RSVP sẽ yêu cầu và dự trữ tài nguyên trên đường đi từ nguồn tới đích.Tuy nhiên, việc chiếm giữ tài nguyên trên mỗi router là “mềm”, nghĩa là trạng thái chiếm giữ tài nguyên sẽ được cập nhật định kỳ lại do phía nhận (destination) đảm nhiệm. - RSVP không phải là giao thức giao vận mà là giao thức điều khiển mạng hoạt động cùng với các luồng dữ liệu của TCP/UDP. - Quá trình dự trữ tài nguyên do phía thu quyết định để tăng hiệu quả hỗ trợ multicast. - Lưu lượng RSVP có thể đi qua các router không hỗ trợ RSVP nên sẽ tạo ra các điểm yếu (Tại các điểm này, dịch vụ chỉ được cung cấp theo mô hình best-effort delivery). Do đó, RSVP đóng vai trò quan trọng trong việc triển khai mô hình tích họp dịch vụ (IntServ). 2. Các thành phần cơ bản trên router/switch để quản lý tài nguyên trong mạng IntServ - Bộ dự trữ tài nguyên (Reservation Setup Protocol): các ứng dụng yêu cầu QoS thông qua bộ dự trữ tài nguyên sẽ thiết lập đường đi và dự trữ tài nguyên cho việc truyền dữ liệu trên mạng. - Bộ kiểm soát thu nhận (Admission Control): các hàm kiểm soát thu nhận sẽ xem xét tài nguyên có đáp ứng được các yêu cầu RSVP hay không. - Bộ phân loại (Classifier): khi router/switch nhận được một gói, bộ phân loại sẽ tiến hành phân loại và đưa các gói vào hàng đợi riêng biệt tuỳ thuộc vào kết quả phân loại. - Bộ lập lịch (Scheduler): bộ lập lịch sẽ tiến hành lập lịch trình để đáp ứng các yêu cầu QoS. 3. Các đặc điểm của chính sách từng chặng (PHB: per-hop behavior) trong mô hình phân biệt dịch vụ (DiffServ Model) - Chính sách per-hop là cách xử lý gói tin dựa vào một số thông số trong header của gói tin. Chính sách này được áp dụng trên router như sau: . Bộ phân loại (Classifer): lưu lượng đầu vào sẽ được phân loại theo chính sách đã định nghĩa trước. - Bộ đánh dấu (Marker): lưu lượng được đánh dấu và forward đi dựa trên nhãn vừa đánh dấu. - Bộ đánh giá (Meter): đánh giá các thuộc tính “tức thời” dựa vào các thoả thuận kiểm soát lưu lượng (policy). - Bộ giám sát (Conditioner): giám sát việc áp dụng chính sách per-hop, có thể làm chức năng đánh dấu lưu lượng (mark), định dạng lưu lượng (shape) và huỷ gói dữ liệu (drop). Thảo luận về các mô hình QoS Các mô hình QoS sẽ được triển khai một cách linh động, kết hợp và tương trợ lẫn nhau nhằm hỗ trợ tốt nhất nhu cầu của người dùng. 1. Cần thay đổi mô hình best-effort delivery Mô hình dịch vụ hiệu quả tối đa không đảm bảo chất lượng dịch vụ nên không đáp ứng được các ứng dụng đòi hỏi thời gian thực và tương tác như các ứng dụng multimedia và multicast. 2. IntServ còn gặp nhiều hạn chế khi triển khai QoS - IntServ làm các router trở nên phức tạp và khó quản lý do: các module cần hỗ trợ RSVP và xử lý theo luồng dựa trên các yêu cầu dành trước (per-flow), xử lý các thông điệp RSVP và phối hợp với các bộ phục vụ chính sách (Policers/Policy Servers). - IntServ không thể mở rộng theo số luồng vì có sự cạnh tranh với nhau về băng thông. - RSVP là dựa hoàn toàn vào phía nhận. Do đó khi source muốn khởi tạo nhiều luồng dựa trên QoS thì RSVP không hỗ trợ các luồng này. - RSVP duy trì trạng thái mềm ở các router nên router sẽ thường xuyên update trạng thái cho mỗi luồng làm tăng traffic mạng. 3. DiffServ vẫn chưa phải là mô hình tốt nhất - Do DiffServ quản lý lưu lượng theo kiểu per-hop nên không thể đảm bảo được QoS từ đầu đến cuối (end-to-end). - DiffServ được triển khai phụ thuộc vào tình trạng của mạng nghĩa là dựa trên sơ đồ mạng tĩnh trong khi sơ đồ mạng thực tế có thể thay đổi linh động tuỳ vào sự đầu tư và nâng cấp của khách hàng. - Ngược với IntServ/RSVP, DiffServ hướng tới source trong khi có nhiều trường hợp cần quan tâm đến yêu cầu của bên nhận (destination). - Các ứng dụng multimedia/multicast cần đảm bảo chất lượng cho từng luồng nên DiffServ sẽ xử lý không hiệu quả do quản lý theo kiểu per-hop. 4. Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS - Tương tự như DiffServ, MPLS cũng đánh dấu lưu lượng vào và bỏ dấu ở đầu ra. MPLS sử dụng nhãn (label) để xác định trạm kế tiếp sẽ chuyển tiếp lưu lượng trong khi DiffServ chỉ xác định mức ưu tiên xử lý trong một router. - MPLS là một công nghệ lai kết hợp những đặc điểm tốt nhất của chuyển mạch kênh ATM và chuyển mạch gói IP cho phép chuyển tiếp các gói rất nhanh trong mạng lõi (core) và định tuyến bình thường ở mạng biên (edge). - MPLS chỉ nằm trên các router và hoạt động độc lập nên tương thích với nhiều môi trường như Frame Relay, ATM, IPX. - MPLS không những hỗ trợ QoS mà còn hỗ trợ khả năng quản lý lưu lượng rất tốt. Rõ ràng, mỗi công nghệ QoS đều có những đặc điểm bổ sung cho nhau nên cần triển khai phối hợp một cách linh động, tương trợ lẫn nhau để đạt được hiệu quả tốt nhất. C.1. Định nghĩa kỹ thuật lưu lượng và tổng quan về QoS C.1.1. Kỹ thuật lưu lượng (TE) Kỹ thuật lưu lượng bao gồm nhiều khía cạnh của hoạt động mạng, bao gồm cung cấp chất lượng dịch vụ thích hợp (QoS), cải tiến tài nguyên mạng bằng cách phân phối lưu lượng qua các liên kết, và cung cấp sự phục hồi nhanh chóng khi một node hoặc liên kết bị hỏng hay còn gọi là bảo vệ đường truyền. Kỹ thuật lưu lượng còn được dùng để cân bằng tải trên các liên kết, các router và switch trên mạng. C.1.2. Tổng quan về QoS QoS nhằm mục đích làm cho mạng có thể đáp ứng khác nhau đối với các dịch vụ khác nhau cùng hoạt động trên mạng thông qua một hợp đồng lưu lượng cho từng dịch vụ (SLA – Service Level Agreement). QoS là kết quả của việc đo hiệu suất ảnh hưởng đến chất lượng của việc truyền dữ liệu và tính sẵn sàng phục vụ của hệ thống truyền dữ liệu, đó là hạ tầng mạng phải được thiết kế sao cho có tính sẵn sàng phục vụ cao trước khi cài đặt QoS cho một hệ thống. • - Tính sẵn sàng: thời gian mà kết nối mạng giữa hai điểm đầu cuối đạt đến trạng thái sẵn sàng. Tính sẵn sàng dịch vụ được xác định là khoảng thời gian mà dịch vụ giữa hai điểm đầu cuối mạng có thể đáp ứng với một mức thỏa thuận dịch vụ (SLA) đã được xác định trước. Đặc biệt, các tiện ích QoS cung cấp dịch vụ mạng tốt hơn và khả đoán bằng các phương pháp sau: • - Hỗ trợ băng thông một cách triệt để • - Cải tiến tính năng mất gói tin • - Tránh và điều khiển tắt nghẽn mạng • - Lấy mẫu lưu lượng mạng • - Cài đặt sự ưu tiên lưu lượng trong mạng IETF chia ra làm hai loại QoS: • - Integrated Services (IntServ) • - Differentiated Services (DiffServ) C.1.2.a. IntServ IntServ là một mô hình có nhiều triển vọng hơn so với DiffServ. Trong IntServ, RSVP (giao thức dành trước tài nguyên) là một kỹ thuật chính để đảm bảo QoS. Tuy nhiên, chú ý rằng RSVP không phải lúc nào cũng được sử dụng với IntServ, RSVP có thể được dùng trong kỹ thuật lưu lượng của MPLS. RSVP dành trước dung lượng dọc theo lộ trình đầu cuối đến đầu cuối cho một dòng các gói tin bằng cách báo hiệu trước khi dòng gói tin được gởi đi. Thực chất, nó là một giao thức "có hay không", có nghĩa là nó sẽ nhận được tín hiệu trả về là dung lượng đó còn trống hay là không. Điều này làm cho nó gần giống như chuyển mạch kênh truyền thống hay ATM, và nó có một số đặc tính dựa trên QoS IntServ, đó là giao thức mạng hướng kết nối. IntServ có hai hạn chế lớn nhất đó là: - Nó làm cho việc xử lý tải lớn trên các router trong mạng lõi - Nó không linh động trong các mạng lớn với nhiều luồng IntServ. Đó là bởi vì nó hoạt động tại mức các dòng gói tin riêng biệt, và vì thế có một mối quan hệ ánh xạ giữa số lượng các luồng IntServ và xử lý tải. Mặc dù IntServ xác định các lớp nhưng nó không kết hợp được các luồng thành các lớp trước khi chúng đi vào mạng để giảm việc xử lý tải. Tuy nhiên, IntServ có một điểm có lợi hơn so với DiffServ, đó là vì IntServ dọn dẹp sẵn con đường trước khi gởi luồng đi nên nó có thể bảo vệ QoS trong mọi trường hợp. C.1.2.b. DiffServ DiffServ (RFC 2475) đánh dấu bit ToS, được xác định trong chuẩn IP, để cho các mức dịch vụ khác nhau có thể được gán cho các luồng tích hợp khác nhau tại các điểm trên mạng. Việc tích hợp được nhận dạng trong bit DSCP (DiffServ Control Point) nằm trong tiêu đề gói tin. Các luồng ứng dụng khác nhau được ấn định vào các luồng tích hợp khác nhau (được xem là hành vi tích hợp) bằng cách xem xét các bit này. DiffServ có hai ưu điểm nổi bật hơn so với IntServ: - Tất cả các quá trình xử lý diễn ra trước khi luồng đi vào mạng, tức là tại biên mạng - Nó không yêu cầu là mỗi nút phải kích hoạt khả năng DiffServ. Các bit DSCP có thể truyền trong suốt từ nút đó đến nút kế tiếp. Nhưng DiffServ có các yếu điểm như: - Nó không thể bảo đảm QoS đặc biệt là trên các liên kết điểm – điểm. Bởi vì nó không có báo hiệu nên luồng dữ liệu của nó sẽ không được ưu tiên nhận một QoS một cách đầy đủ, thậm chí nếu nó có đánh dấu ưu tiên. - Nếu một router hay một lộ trình bị nghẽn nghiêm trọng thì tất cả các gói tin sẽ bị từ chối cho dù nó có các gói tin được ưu tiên hay không. Một cách tương tự như thế, bởi vì không có báo hiệu, các ứng dụng không thể điều chỉnh các yêu cầu cho phù hợp với tình trạng mạng được. C.1.2.c. Tích hợp dịch vụ «Giới thiệu về IntServ/RSVP và DiffServ Kiến trúc các dịch vụ tích hợp (IntServ) định nghĩa các dịch vụ QoS và các tham số dành trước để được dùng để chứa giao thức báo hiệu được dùng để chuyển các tham số này từ một hoặc nhiều nguồn tới một hoặc nhiều đích (unicast hoặc multicast). RSVP cho phép gán QoS với các luồng ứng dụng. Một lưu lượng báo hiệu nặng được thay đổi giữa các bộ định tuyến phụ thuộc vào vùng mạng lõi của Internet. IntServ classifier dựa trên gói MultiField (Source IP address, Destination IP address, Protocol ID, Source transport port, Destination transport port) để nhận dạng luồng. «Tích hợp giữa RSVP và CR-LDP RSVP thay đổi bản tin RSVP dọc theo con đường qua miền MPLS. Một LSR không phải là một bộ định tuyến RSVP. Tất cả các bản tin cơ bản RSVP (Path và Resv) đi trong MPLS như lưu lượng IP không bị chặn bởi các LSP. RSVP không thể dành trước tài nguyên mạng. Do đó, cần có bản tin CR-LDP. Sau khi chấp nhận bản tin RSVP với việc dành trước tài nguyên, LSR ngõ vào thiết lập một CR-LSP chuyển tiếp tới LSR ngõ ra. CR-LSP cung cấp QoS bằng đối tượng FLOWSPEC được mang theo bởi bản tin Resv. Lưu lượng của người gửi RSVP qua miền MPLS bằng việc dùng CR-LSP này. LSR ngõ ra chịu trách nhiệm thực thi sự chuyển dịch bản tin để tạo CR-LSP này. Các LSR không là cạnh của miền MPLS sẽ chỉ xử lý các bản tin CR-LDP. Với luồng RSVP, router RSVP cuối ngược dòng với miền MPLS được xem là P – Hop (upstream) biên và router RSVP đầu tiên xuôi dòng với miền MPLS được xem là N – Hop (downstream) biên.Trong mô hình mạng như hình C-1, P – Hop là LSR ngõ vào và N – Hop thích hợp với LSR ngõ ra. CR-LSP được định nghĩa giữa LSR ngõ vào và LSR ngõ ra. . nghĩa kỹ thuật lưu lượng và tổng quan về QoS C .1. 1. Kỹ thuật lưu lượng (TE) Kỹ thuật lưu lượng bao gồm nhiều khía cạnh của hoạt động mạng, bao gồm cung cấp chất lượng dịch vụ thích hợp (QoS),. cho phù hợp với tình trạng mạng được. C .1. 2.c. Tích hợp dịch vụ Giới thiệu về IntServ/RSVP và DiffServ Kiến trúc các dịch vụ tích hợp (IntServ) định nghĩa các dịch vụ QoS và các tham số dành. trên mạng. C .1. 2. Tổng quan về QoS QoS nhằm mục đích làm cho mạng có thể đáp ứng khác nhau đối với các dịch vụ khác nhau cùng hoạt động trên mạng thông qua một hợp đồng lưu lượng cho từng dịch vụ