Nghiên cứu các kĩ thuật quản lý hàng đợi trong mạng IP

Quản lý hàng đợi và các thuật toán Do lĩnh vực của đềtài này tương đối rộng, v

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục

Trang

Thuật ngữ viết tắt iii

Lời nĩi đầu 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QoS 3

1.1 Khái niệm QoS 3

1.1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.2 Kiến trúc cơ bản của QoS 5

1.1.3 Các tham số của QoS 6

1.1.4 Các mức QoS 9

1.2 Điều khiển tắc nghẽn 18

1.2.1 Khái niệm 18

1.2.2 Các kỹ thuật được sử dụng trong quản lý tắc nghẽn 20

1.2.3 Điều khiển tắc nghẽn và tránh tắc nghẽn trong mạng TCP 20

1.3 Tổng kết chương 23

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CQS TRONG ROUTER 24

2.1 Cấu trúc Router 24

2.1.1 Cấu trúc router 24

2.1.2 Chức năng của router 26

2.2 Cấu trúc CQS 29

2.2.1 Phân loại (Classification) 29

2.2.2 Quản lý hàng đợi (Queue management) 35

2.2.3 Lập lịch (Schedular) 36

2.3 Hoạt động của các router biên và router lõi trong mạng 38

2.3.1 Router biên (edge router) 40

2.3.2 Router lõi (core router) 42

2.4 Tổng kết chương 45

CHƯƠNG 3: QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI VÀ CÁC THUẬT TỐN 46

3.1 Các kĩ thuật hàng đợi 46

3.1.1 Giới thiệu hàng đợi trong Router 46

3.1.2 Hàng đợi FIFO (First In First Out) 49

3.1.3 Hàng đợi ưu tiên PQ (Priority Queue) 50

3.1.4 Hàng đợi cân bằng FQ (Fair Queue) 52

3.1.5 Hàng đợi cân bằng cĩ trọng số WFQ (Weighted Fair Queue) 52

3.1.6 So sánh các kĩ thuật hàng đợi 55

3.2 Các kĩ thuật liên quan tới hàng đợi 56

3.2.1 Bắt giữ và đánh dấu gĩi tin 57

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

3.2.2 Giảm chiếm giữ hàng đợi 58

3.3 Các phương pháp quản lý hàng đợi 60

3.3.1 Kĩ thuật Tail Drop 60

3.3.2 Thuật toán Blue 62

3.3.3 Thuật toán RED 63

3.3.4 Phát hiện sớm ngẫu nhiên có trọng số WRED 70

3.3.5 Phát hiện sớm ngẫu nhiên thích nghi ARED 75

3.3.6 RED với các cổng vào ra (RIO-RED with In/Out) 79

3.3.7 Thuật toán RIO thích ứng (ARIO) 84

3.3.8 Phát hiện sớm ngẫu nhiên cân bằng FRED 87

3.4 So sánh các kĩ thuật quản lý bộ đệm 88

3.4.1 So sánh RED và Tail Drop 88

3.4.2 So sánh thuật toán RED và thuật toán Blue 90

3.4.3 So sánh các thuật toán RED 90

3.5 Tổng kết chương 90

Kết luận 92

Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt

Detection with In/Out put

RED vói các cổng vào ra tương thích

Mode

Kiểu truyền không đồng bộ

Queue

Hàng đợi cân bằng có trọng lượng trên có sở lớp

Schedular

Kiến trúc phânloại, xếp hàng, lập lịch

tường minh

Code Point

Điểm mã dịch vụ phân biệt

Notification

Thông báo tắc nghẽn rõ ràng

Base

Cơ sở thông tin định tuyến

kiểu vào trước ra trước

ICMP Internet Control Message

Protocol

Giao thức bản tin điều khiển Internet

Translator

Biên dịch địa chỉ mạng

giữa nhà cung cấp dịch vụ

và khách hàng

Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt

dụng

Lời nói đầu

Internet đã làm một cuộc cách mạng thay đổi nhiều khía cạnh trong cuộc sống

của chúng ta Nó làm thay đổi hẳn các hoạt động mang tính truyền thống của con

người Bằng cách sử dụng Internet nó cho phép con người có thể tiếp nhận thông tin từ

xa như : có thể xem một bộ phim đang chiếu ở đâu đó, nói truyện với người ở rất xa,

hay theo học trực tuyến tới một khoá học nào đó ngoài nước….Bên cạnh đó mạng

Internet còn rẻ hơn nhiều so với các lợi hình dịch vụ khác, do đó nó được phát triển

rộng khắp ở mọi nước trên thế giới

Có thể xem xét quá trình phát triển của Internet như sau Sự phát triển các giao

thức cho Internet (IP) bắt đầu từ những năm 1970, nhưng thực sự phát triển vào những

năm 1980 và phát triển mạnh vào những năm sau đó Năm 1995 mạng Internet đã kết

nối khoảng 100 triệu máy tính và cho tới ngày nay số lượng này đã tăng lên rất nhiều

Qua đó ta thấy được sự bùng nổ về nhu cầu sử dụng Internet và sự gia tăng của lưu

lượng thông tin Song song với việc quan tâm tới chất lượng dịch vụ thì mạng thông

tin này cần thiết phải thích nghi với các tính năng như tốc độ cao, băng thông, đa

phương tiện và phải thiết lập được mạng thông tin có thể thoả mãn được tất cả các yêu

cầu của khách hàng Mạng IP ra đời thoả mãn được các yêu cầu cả về kĩ thuật lẫn chất

lượng dịch vụ Tuy nhiên để nâng cao chất lượng dịch vụ, đáp ứng được các yêu cầu của

người sử dụng là một vấn đề thực sự khó khăn cho các nhà quản lý mạng, đặc biệt là

trong hoàn cảnh hiện nay khi các luồng thông tin ngày càng đa dạng về chủng loại, đặc

tính, mà yêu cầu chất lượng sử dụng thông tin thì ngày càng khắt khe Việc yêu cầu chất

lượng dịch vụ của người sử dụng cũng tạo ra sự cạnh tranh khắc nghiệt giữa các nhà

cung cấp dịch vụ, yêu cầu các nhà cung cấp dịch vụ phải tìm ra các giải pháp mới để

nâng cao chất lượng dịch vụ và tăng doanh thu cho mình

Vậy giải pháp đưa ra là gì? Các nhà xây dựng mạng đã khéo léo đưa ra các mô

hình mạng mới như mô hình mạng dịch vụ phân biệt DiffServ và mạng dịch vụ tích

hợp IntServ đồng thời kết các mô hình mạng với nhau để lợi dụng ưu điểm của từng

mạng và hạn chế nhược điểm của chúng Bên cạnh đó các nhà thiết kế còn đi sâu vào

tìm hiểu và thiết kế các phương pháp quản lý, giám sát các tiến trình truyền tin ngay

bên trong bản thân của các thành phần nhỏ của mạng như router, chuyển mạch….Điển

hình là các router được thiết kế theo cấu trúc CQS đã phần nào đơn giản hoá việc

truyền tin và nâng cao chất lượng dịch vụ Một trong những phương pháp đưa ra ở các

router để cải thiện chất lượng dich vụ trong mạng IP thông dụng nhất là phương pháp

quản lý hàng đợi (Queue Management)

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu

Trong thời gian qua được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong

khoa viễn thông, đặc biệt là thầy giáo ThS Nguyễn Văn Đát em đã hoàn thành đồ án

tốt nghiệp “Nghiên cứu các kĩ thuật quản lý hàng đợi trong mạng IP ” Nội dung của

đồ án gồm 3 chương :

Chương 1 : Giới thiệu chung về QoS

Chương 2 : Kiến trúc CQS trong router

Chương 3 : Quản lý hàng đợi và các thuật toán

Do lĩnh vực của đề tài này tương đối rộng, và bản thân kiến thức còn có nhiều hạn

chế nên đồ án không tránh khỏi nhiều sai sót Em mong được sự góp ý và chỉ bảo của

các thầy cô và các bạn sinh viên để nội dung đồ án được hoàn thiện và phong phú hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Viễn Thông,

đặc biệt là thầy giáo ThS Nguyễn Văn Đát đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo giúp em hoàn

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

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS

Trong mơ hình cĩ cả chất lượng của từng mạng (NP) trên đường truyền từ đầu

cuối này tới đầu cuối kia Ta khơng nên nhầm lẫn hai khái niệm chất lượng dịch vụ và

chất lượng mạng

QoS giúp cho các dịch vụ viễn thơng và nhà cung cấp mạng đáp ứng được các

nhu cầu dịch vụ của khách hàng Cịn NP được đo trực tiếp hiệu năng trên mạng khơng

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 cĩ thể phải chuyển qua nhiều kết nối trong mạng, hay phải qua rất nhiều mạng

và các thiết bị đầu cuối Do đĩ để đo được QoS là rất khĩ 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 cịn 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 thơng tin giữa những người sử dụng

Mạng viễn thơng 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 đĩ

đánh giá chất lượng của mạng chính là đánh giá các chỉ tiêu, các thơng số kĩ thuật cĩ

liên quan tới khả năng truyền thơng tin của mạng cùng các chủng loại thiết bị bên

trong mạng đĩ Theo quan điểm của khách hàng thì họ mong muốn được cung cấp các

dịch vụ đảm bảo chất lượng, cịn trên quan điểm của nhà cung cấp dịch vụ thì khái

niệm chất lượng mạng là một chuỗi các tham số mạng cĩ thể được xác định, được đo

đạc và điều chỉnh để cĩ thể đạt được mức độ hài lịng của khách hàng về dịch vụ Nhà

cung cấp dịch vụ cĩ trách nhiệm phải tổ hợp các tham số chất lượng mạng khác nhau

thành tập hợp các tiêu chuẩn để cĩ 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 khơng quan tâm tới các thành phần của mạng NP yêu cầu

phải được hỗ trợ các khả năng:

Mơ hình tham khảo cho QoS end to end thường cĩ một hoặc vài mạng tham

gia, mỗi mạng lại cĩ nhiều node Mỗi mạng tham gia cĩ thể đưa vào trễ, tổn thất hoặc

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

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:

tới điểm cuối giữa từng thành phần mạng

lịch, định dạng lưu lượng)

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

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS

1.1.2.2 QoS trong thành phần mạng đơn

Do lưu lượng video, voice, data cĩ dạng bĩ, thỉnh thoảng cĩ một số lượng vượt

quá tốc độ cho phép lúc này router sẽ làm gì? Nĩ sẽ chuyển các gĩi đến đầu tiên ra

trước trong một hàng đợi đơn hay đưa các gĩi vào trong các hàng đợi khác nhau và

phục vụ từng hàng lần lượt? Để giải quyết vần đề này ta sử dụng các cơng 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)

Do kích thước của hàng đợi là giới hạn nên chúng cĩ thể bị đầy và tràn hàng

đợi Do đĩ khi hàng đợi đầy thì bất kì một gĩi truyền thơng nào đến đều khơng thể vào

trong hàng đợi và nĩ sẽ bị loại bỏ Việc loại bỏ này là loại bỏ đằng đuơi, điều này cĩ

nghĩa là bất kì gĩi nào đến (thậm chí các gĩi cĩ độ ưu tiên cao) đến khi hàng đợi đã

đầy đều bị loại bỏ Do đĩ cơ chế này cần 2 yếu tố:

+ Luơn chắc chắn rằng hàng đợi khơng bao giờ đầy để cĩ đủ chỗ cho các gĩi cĩ

độ ưu tiên cao

+ Phải cĩ cơ chế loại bỏ các gĩi cĩ độ ưu tiên thấp trước các gĩi cĩ độ ưu tiên cao

Phát hiện sớm ngẫu nhiên (RED) cung cấp đủ hai cơ chế này

+ Định dạng: được sử dụng để giới hạn tiềm năng băng thơng của luồng

Điều này được sử dụng rất nhiều lần để ngăn chặn vấn đề tràn luồng Cĩ 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, nĩ chỉ khác là nếu lưu lượng vượt

quá tốc độ cấu hình thì nĩ khơng dược đưa vào bộ đêm và cĩ thể bị loại bỏ

1.1.3 Các tham số của QoS

• Loss : Độ mất gĩi

• Jitter : Giá thay đổi của gĩi tin

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

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

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

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS

1.1.3.2 Mất gĩi(loss)

Khi các gĩi truyền trong mạng khơng đến được phía thu, ta gọi đĩ là hiện tượng

mất gĩi Đây cũng là một tham số quan trọng của QoS Nĩ thường xảy ra khi xuất hiện

tắc nghẽn trên đường truyền các gĩi, làm cho bộ đệm của router bị tràn Việc mất gĩi

này gây ra mất mát thơng tin phía thu, tạo ra trễ khi phải truyền lại các gĩi bị mất hay

truyền thơng tin thơng 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 gĩi 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 gĩi gây ra hiện tượng nhảy thoại gây khĩ chịu cho người sử

dụng Trong truyền dữ liệu việc mất nhiều bit hay gĩi gây ra hiện tượng khơng đều

nhất thời trên màn hình song hình ảnh (video) sẽ nhanh chĩng được xử lý như trước

Tuy nhiên nếu việc mất gĩi xảy ra theo dây truyền thì chất lượng của việc truyền dẫn

sẽ xuống cấp Tỉ lệ mất gĩi 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 gĩi khác nhau cùng trong một dịng lưu

lượng Biến động trễ cĩ tần số cao gọi là jitter cịn biến động trễ cĩ tần số thấp gọi là

wander Jitter chủ yếu là do thời gian xếp hàng của các gĩi 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 gĩi gây ra sự lên

xưống của thoại Tất cả các hệ thống truyền tải đều cĩ jitter Khi jitter nằm trong

khoảng dung sai được định nghĩa trước thì nĩ khơng ảnh hưởng tới chất lượng dịch

vụ Khi jitter quá nhiều thì cĩ thể được xử lý bằng bộ đệm, song nĩ 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 : Mơ tả hiện tượng jitter qua máy đo

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

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:

sự sắp xếp vào hàng đợi FIFO,và không có sự khác nhau giữa các luồng

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

mạng cho các dịch vụ đặc biệt Được cung cấp thông qua QoS với các công

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

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS

1.1.4.1 Các dịch vụ phân biệt

a Các thuật ngữ:

Từ các năm về trước,nền cơng 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 gĩi 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

Nĩ phân biệt lưu lượng bởi người sử dụng, các yêu cầu dịch vụ và các tiêu

chuẩn khác nhau, sau đĩ nĩ đánh dấu các gĩi do vậy mà các node mạng cĩ thể cung

cấp các mức dịch vụ khác nhau thơng 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 khơng thể phân biệt giữa các luồng được tạo ra bởi các Host

khác nhau Khi các luồng thay đổi thì mạng cung cấp dịch vụ tốt nhất mà nĩ cĩ thể

nhưng khơng cĩ sự điều khiển để bảo tồn các mức dịch vụ cao hơn cho một số luồng

này mà khơng phải là các luồng khác Dịch vụ Diff-Serv đã làm gì để cung cấp các

mức dịch vụ tốt hơn trong mơi trường best effort Dịch vu Diff-Serv mang đến cách

tiếp cận khơng trạng thái điều này tối thiểu hố sự cần thiết của các node trong mạng

Internet để nhớ bất kì điều gì về các luồng Nĩ khơng tốt trong việc cung cấp QoS như

trong cách tiếp cận cĩ trạng thái nhưng nĩ thực tế hơn khi truyền trên mạng Internet

Các thiết bị Diff-Serv tại biên của mạng đánh dấu các gĩi theo một cách nhờ đĩ cĩ thể

mơ tả mức dịch vụ mà chúng nhận Các thành phần của mạng đáp lại các đánh dấu

một cách đơn giản mà khơng cần thương lượng đường dẫn hay nhớ các thơng tin trạng

thái cho mỗi luồng Thêm vào đĩ các ứng dụng khơng cần yêu cầu mức dịch vụ đặc

biệt hay cung cấp tính năng thơng báo về hành trình của luồng

Một số đặc điểm của Diff-Serv:

cho trường TOS Các bit 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

biệt

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

• 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

dịch vụ thoại thời gian thực) hoặc cung cấp một vài dịch vụ ưu tiên.Các đặc

tính của dịch vụ có thể thiết kế để cải thiện khả năng thông qua, giảm độ trễ,

jitter, và độ mất gói

và cho phép các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra các giá dịch vụ theo đặc tính

của chúng

đầu cuối qua mạng Internet

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 vụ từ các chức năng 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 DSCP và các gói hướng đi Chúng

có thể thực hiện một số chức năng điều phối lưu lượng và có thể đánh dấu lại các gói

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS

Các miền DS kết nối với các miền khác thông qua các đường biên Một vùng DS là

một tập các 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 phối

các gói được đánh dấu sao cho phù hợp với các yêu cầu hoặc luật lệ của dịch vụ Các

yêu cầu hoặc luật lệ của mỗi dịch vụ phải được thiết lập thông qua cơ chế 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 :

trong IPv6 Các trường này hi vọng các gói 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

đảm bảo SLA giữa các mạng và người dùng

Hình 1.7 : Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng

Phân loại đa

byte

Chính sách Đánh dấu

gói

Hàng đợi, quản lý, lập lịch

b.1 Cách cư xử từng chặng (PHB) và các điểm mã (codepoints)

PHB được coi là cách phân bố tài nguyên trên cơ sở từng chặng Trong chuẩn

RFC2473 một tập cách cư xử DS là tập hợp các gói có cùng giá trị DSCP khi qua một

liên kết Khi tập cách cư xử này đến một node mạng thì node này sẽ đưa ra DSCP cho

các PHB tương ứng,và việc này sẽ chỉ ra node làm thế nào phân phối tài nguyên cho

tập các cư xử

Các tính năng của PHB:

tập cư xử

chia xẻ bất kì một băng thông kết nối vào với các tập cư xử khác

khác

Một PHB được 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 Mặc dù mỗi

định nghĩa của PHB đã cung cấp các hiểu biết về một DSCP nhưng DS vẫn cho phép

đa giá trị DSCP được xắp xếp vào cùng PHB

Bít được đánh dấu có thể là bit 1 hoặc bit 0

Trường DSCP trong trường DS có khả năng phân biệt 64 điểm mã riêng biệt

Không gian điểm mã chia ra thành 3 vùng cho mục đích quản trị và ấn định điểm mã

Pool 1 có 32 điểm mã dược dành trước cho các PHB được định nghĩa rõ ràng Pool 2

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS

dùng cho các ứng dụng nội hạt (EXP/LU) Pool 3 cũng tương tự như pool 2, nĩ được

sử dụng khi các giá trị của pool 1 đã cạn kiệt

1.1.4.2 Dịch vụ tích hợp (Integrated Service)

a Khái niệm

Mục đích của bất kì mạng nào là tối đa hố hiệu năng của các ứng dụng hay nĩi

cách khác là phải thoả mãn được các yêu cầu dịch vụ Để cĩ 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 khĩ 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 hồn tồn lựa chọn một lớp dịch vụ để phụ thuộc ứng dụng thì ta chỉ

cần hỗ trợ một lớp dịch vụ giới hạn Để cĩ các ứng dụng yêu cầu dịch vụ mà nĩ thực

hiện một cách rõ ràng thì mạng phải cĩ lựa chọn được lớp dịch vụ Ngồi ra việc quyết

định xem trong mạng cĩ hỗ trợ điều khiển cấp phép hay khơng cũng là một câu hỏi

khĩ Nếu khơng cĩ chỉ định cấp phép thì chúng khơng thể phân định rõ được các dịch

vụ và mạng khơng 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 đĩ 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 thơng 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 mơ hình này:

khác nhau cĩ 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

phải cĩ khả năng hỗ trợ khơng chỉ đơn dịch vụ mà phải hỗ trợ tích hợp đa

dịch vụ của nhiều loại lưu lượng khác nhau

sẽ được dự trữ cho lưu lượng cĩ độ ưu tiên cao, phần cịn lại dành cho số

liệu nỗ lực tối đa

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

• 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:

không có sự đặt trước

vẫn phải thiết lập biên cho độ trễ đầu cuối

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

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

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS

định là chức năng của đường được chọn bao gồm cả trễ truyền dẫn, nĩ được quyết

định dựa vào cơ cấu thiết lập Trễ hàng đợi được quyết định bởi các dịch vụ đảm bảo,

nĩ là một chức năng của hai tham số: tốc độ gáo rị và tốc độ dữ liệu mà các ứng dụng

yêu cầu Dịch vụ đảm bảo khơng điều khiển trễ trung bình hay trễ nhỏ nhất của

datagram mà chỉ điều khiển trễ hàng đợi Dịch vu này đảm bảo rằng gĩi tin sẽ đến

trong thời gian truyền yêu cầu và khơng bị loại bỏ khi hàng đợi bị đầy, cung cấp các

lưu lượng của luồng giới hạn bởi các tham sơ lưu lượng trên lý thuyết Một đặc điểm

của dịch vụ này là khơng tối thiểu hố 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 cơng bằng cho mọi độ trễ

tuy nhiên khơng hồn tồn là tin cậy Các dịch vụ này khơng cố gắng giới hạn độ trễ

của mỗi gĩi, nhưng lại quan tâm tới sự phân bố trễ Nĩ cung cấp hiệu năng tốt hơn so

với các dịch vụ best effort Nĩ 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 gĩi được truyền đến phía đầu cuối bên kia là rất cao, và độ

trễ truyền dẫn thì khơng chênh lệch nhiều so với độ trễ truyền nhỏ nhất Dịch vụ tải

điều khiển này cĩ mục đích hỗ trợ cho các lớp dịch vụ thời gian thực tương thích với

trễ Các dịch vụ này làm việc tốt trong mơi trường phi tải nhưng bị suy thối nhanh

chĩng dưới điều kiện tràn tải Mạng phải đảm bảo rằng tài nguyên băng thơng và tiến

trình xử lý gĩi phải cĩ giá trị để xử lý các mức dịch vụ yêu cầu Các dịch vụ tải được

điều khiển khơng bắt buộc sử dụng các giá trị tham số cho mục đích đặc biệt như: độ

trễ, độ mất gĩi Việc chấp nhận dịch vụ tải được điều khiển chỉ đơn thuần là một cam

kết để cung cấp các luồng cĩ dịch vụ gần như tương đương với việc cung cấp cho lưu

lượng khơng điều khiển được bên dưới điều kiện cĩ tải nhẹ Luồng dịch vụ tải được

điều khiển cĩ thể cĩ ít hoặc khơng cĩ trễ hàng đợi gĩi trung bình

Các ứng dụng đàn hồi luơn luơn chờ các gĩi đến Đặc điểm chính của các ứng

dụng này là chúng sử dụng dữ liệu ngay lập tức chứ khơng để chờ trong bộ đệm,và

luơn chờ gĩi đến để xử lý chứ khơng bắt đầu quá trình khi khơng cĩ gĩi 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.Mơ hình dịch vụ IntSer

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

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

• 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

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 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

IP Data

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS

đến đích nhưng khơng cĩ chức năng khơi phục lại các gĩi 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 Nĩi cách khác là quan tâm tới tốc độ hơn là việc khối phục các gĩi Trong kiểu

truyền voice, video thời gian thực thì một số gĩí bị mất cĩ thể bỏ qua được bởi việc

khơi phục lại cĩ 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 gĩi 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 cĩ thể sử

dụng UDP khi khơng cần các dịch vụ của TCP Đối với các dịch vụ Best effort việc loại

bỏ các gĩi cĩ thể chấp nhân được do việc khơi phục được xử lý bởi các dịch vụ khác

Trong lớp vật lý hoặc lớp mạng các Frame cĩ thể bị loại bỏ, trong lớp mạng các

router bị tắc nghẽn cĩ thể loại bỏ các gĩi

TCP là một dịch vụ truyền dữ liệu tin cậy được các hệ thống đầu cuối sử dụng để

khơi phục lại các gĩi đã bị loại bỏ trong mạng trong trường hợp cĩ tắc nghẽn xảy ra, hay

bị loại bỏ bởi chính nĩ khi bộ đệm bị đầy Trong mạng các gĩi cũng cĩ thể bị loại bỏ

nhằm mục đích báo hiệu tắc nghẽn cho phía người gửi biết Khi cĩ gĩi bị mất trong

mạng thì phía thu sẽ gửi bản tin thơng báo khơng nhận được gĩi đĩ cho phía gửi biết để

gửi lại gĩi 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 gĩi, các gĩi tin đi vào và đi ra các bộ đệm, hàng

đợi hay thiết bị chuyển mạch giống như khi nĩ được chuyển qua mạng Một đặc điểm

quan trọng của mạng là các gĩi tin đến dưới dạng bĩ từ một hoặc nhiều nguồn khác

nhau Các bộ đệm sẽ giúp các router thu hút các bĩ cho đến khi chúng nhận được Khi

các bĩ đến vượt quá kích thước bộ đệm thì các gĩi đến sau sẽ bị loại bỏ Việc tăng bộ

đệm khơng 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

khơng cĩ 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 nĩ Khi mạng xảy ra tắc nghẽn nếu khơng được xử lý kịp thời sẽ gây ra các hậu

quả nghiêm trọng: các gĩi tin khơng được xử lý, khơng chuyển được đến đầu cuối

người nhận sẽ ùn tắc trong mạng,mạng khơng hoạt động được trong thời gian dài sẽ

khong thể truyền tải được dữ liệu,các thành phần cĩ thể bị hư hỏng Do đĩ vần đề quan

trọng cần phải là phải điều khiển đuợc tắc nghẽn trong mạng Đĩ cĩ thể hành động

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

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:

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

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

khi được gửi tới các kết nối có tốc độ bằng luồng T1/E1 hoắc thấp hơn

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS

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

• Điều khiển luồng phía đầu cuối: đây khơng 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 khơng gian bộ đệm phía thu

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 khơng phải phía thu

tìm ra tắc nghẽn khi nĩ cĩ khả năng xảy ra, và cố gắng giảm tốc độ của

luồng đầu vào trước khi hàng đợi hàng đợi đầy

mạch vật lý hoặc các nguồn tài nguyên khác Một mạch ảo được xây dựng

qua nhiều chuyển mạch cùng với băng thơng đảm bảo cũng là một loại

phân phối tài nguyên Kỹ thuật này rất khĩ nhưng nĩ cĩ khả năng loại trừ

tắc nghẽn trong mạng bằng việc khố các lưu lượng vượt quá khả năng của

mạng

Một giải pháp quan trọng nhất trong điều khiển tắc nghẽn đĩ là sử dụng hàng

đợi Các bộ đệm trong các thiết bị mạng được quản lý bởi rất nhiều kỹ thuật hàng đợi

Nĩi đúng ra quản lý hàng đợi cĩ thể tối thiểu hố việc mất gĩi trong mạng và tắc

nghẽn xảy ra cũng như làcải thiện được hiệu năng của mạng Một kỹ thuật hàng đợi cơ

bản nhất là FIFO, các gĩi được xử lý theo trật tự mà chúng đến hàng đợi, cịn hàng đợi

ưu tiên sử dụng cấu trúc đa hàng đợi với các mức ưu tiên khác nhau sẽ ưu tiên xử lý

các gĩi quan trọng nhất và truyền tới các node kế tiếp

Một kỹ thuật hàng đợi quan trọng nữa là tự ấn định các luồng cho chính bản

thân các hàng đợi Với các luồng khác nhau thì độ ưu tiên cũng được khác nhau, và

mỗi luồng đều được xử lý để chắc chắn rằng chúng khơng làm tràn hàng đợi Việc tách

rời các hàng đợi theo cách này đảm bảo rằng các hàng đợi sẽ chỉ chứa các gĩi từ một

nguồn đơn lẻ

1.2.3 Điều khiển tắc nghẽn và tránh tắc nghẽn trong mạng TCP

Trong những năm 1980 Internet dễ xảy ra hiện tượng “sụp đổ tắc nghẽn”,do cĩ

quá ít chức năng điều khiển quản lý mạng Các kết nối đơn lẻ sử dụng điều khiển

luồng giữa người gửi và người nhận để tránh phía gửi làm tràn lưu lượng tại phía nhận

Nhưng việc điều khiển luồng trong thời điểm đĩ mới chỉ tránh tràn lụt lưu

lượng tại các bộ đệm phía thu chứ chưa giải quyết được tại các bộ đệm phía trong các

node mạng Tuy nhiên lưu lưọng sử dụng trên mạng Internet ngày đĩ chưa lớn và nĩ

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

bao gồm một số lượng các kết nối tốc độ chậm do đó vấn đề tắc nghẽn không quan

trọng như ngày nay

Sau những năm 1980 Van Jacopson đã phát triển các cơ chế điều khiển tắc

nghẽn,tạo ra các đáp ứng TCP để hạn chế tắc nghẽn trong mạng Nền tảng cơ bản là

loại bỏ các gói sẽ làm cho các host ngừng lại hoặc chậm dần

Thông thường khi một host nhận một gói hoặc một tập các gói thì nó sẽ gửi một

ACK(acknowlegement) cho phía phát để thông báo là đã nhận được gói tin Cơ chế

cửa sổ cho phép host nhận đa gói tin mà chỉ dùng một ACK.Việc phía gửi không nhận

được các ACK chứng tỏ rằng phái thu bị tràn bộ đệm hoặc mạng bị nghẽn do đó phía

phát phải dừng việc chuyển gói hoặc giảm tốc độ

Một chiến lược được đưa ra là “Giảm theo cấp số nhân, tăng theo cấp số cộng”

để điều chỉnh số lượng các gói đến trongcùng một thời điểm Nếu vẽ lược đồ về luồng

dữ liệu ta sẽ thấy số lượng các gói tăng lên cho đến khi có tắc nghẽn xuất hiện trong

mạng (tăng theo cấp sô cộng) và khi gói bắt đầu bị loại bỏ thì ta giảm nhanh các gói

truyền cho đến khi việc truyền gói bắt đầu dừng (giảm theo cấp số nhân) Kích thước

cửa sổ sẽ lần lượt giảm một nửa khi có tắc nghẽn xảy ra Các host sẽ tìm ra tốc độ

truyền dẫn tối ưu bằng việc thường xuyên kiểm tra mạng với tốc độ cao hơn Thỉnh

thoảng tốc độ truyền cao hơn này được chấp nhận nhưng khi mạng bận thì các gói bắt

đầu bị loại bỏ và host lại quay trở lại tốc độ ban đầu Lược đồ này coi mạng như một

hộp đen loại bỏ các gói khi có tắc nghẽn Do đó điều khiển tắc nghẽn được thực hiện

bởi các hệ thống đầu cuối và chúng coi việc loại bỏ các gói là để chỉ thị tắc nghẽn Phía

người gửi sẽ truyền một số lượng lớn các file để đẩy lên tốc độ cao hơn cho tới khi nó

đạt được tất cả băng thông Các host khác có thể gặp vài vấn đề khi chuyến gói qua

mạng Các host bị túm lấy băng thông thì chỉ truyền tải được rất ít lưu lượng quan trọng

Tất nhiên, mạng có thể sử dụng role tích cực trong điều khiển tắc nghẽn Cơ chế

điều khiển và tránh tắc nghẽn có thể chia ra thành các quá trình:

cầu vượt quá khả năng

tác nghẽn có thể xảy ra

Ngày nay tránh tắc nghẽn là công cụ cải thiện hiệu năng và QoS trong mạng

Internet Chuẩn RFC 2309 (giới thiệu quản lý hàng đợi và tránh tắc nghẽn trong

Internet) đưa ra cơ chế tránh tắc nghẽn dựa trên cơ cấu router Cơ chế này chia ra

thành các thuật toán quản lý hàng đợi và thuật toán lập lịch

Mục đích quan trọng là tối thiểu số lượng các gói bị loại bỏ Nếu một host

truyền tại tốc độ cao hơn và mạng bị nghẽn thì số lượng các gói bị mất sẽ tăng RFC

2309 chỉ ra rằng thà chấp nhận các luồng dạng bó đến làm tràn hàng đợi còn hơn là cố

gắng duy trì trạng thái không đầy của hàng đợi

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Giới thiệu về QoS

TCP cĩ xử lý điều khiển tắc nghẽn, UDP được điển hình sử dụng cho các luồng

video và audio thời gian thực bởi vì nĩ khơng cần khơi phục lại các gĩi bị mất.UDP là

giao thức truyền tải khơng đảm bảo do nĩ khơng truyền lại các báo hiệu ngược trở lại

nguồn Các luồng UDP khơng thể được điều khiển bởi cách điều khiển tắc nghẽn như

trong TCP truyền thống

Trong chuẩn RFC 2581 giới thiệu 4 thuật tốn cho điều khiển tắc nghẽn: khởi

đầu chậm,truyền lại nhanh,khơi phục nhanh,tránh tắc nghẽn

Khởi đầu chậm làm giảm ảnh hưởng của bĩ khi một host đầu tiên được truyền

Nĩ yêu cầu một host khởi đầu việc truyền dẫn của nĩ chậm hơn, sau đĩ nĩ sẽ xử lý các

điểm cĩ tắc nghẽn xảy ra Một host lúc đầu khơng biết cĩ bao nhiêu gĩi được gửi do

đĩ nĩ sẽ sử dụng cách khởi đầu chậm để định giá dung lượng của mạng Một host bắt

đầu việc truyền dẫn bằng cách gửi hai gĩi tin tới phía thu Khi phía thu nhận được các

segment thì nĩ sẽ gửi phản hồi lại phía nhận một ACK để xác nhận Phía phát sẽ tăng

số gĩi gửi theo cơ số hai, tức là sẽ gửi 4 gĩi Việc này sẽ tiếp tục tại phía phát cho đến

khi khơng nhận được phản hồi ACK Việc chỉ thị này cho thấy khả năng xử lý lưu

lượng của mạng hoặc khả năng xử lý lưu lượng tới của phía thu

Khởi đầu chậm khơng cĩ khả năng ngăn chặn tắc nghẽn mà nĩ chỉ giúp cho các

host tránh được trạng thái tắc nghẽn tạm thời Nếu một host gửi quá nhiều gĩi thì nĩ sẽ

gây ra nghẽn mạng, tràn bộ đệm và các gĩi sẽ bị loại bỏ Nhưng trong một số ứng

dụng mới như: thoại qua IP thì khơng thể chấp nhận được trễ gây ra bởi việc khởi đầu

chậm, do đĩ trong một số trường hợp thì mạng sẽ khơng sử dụng kiểu này

Truyền lại và khơi phục lại nhanh là các thuật tốn được thiết kế để tối thiểu

hố việc loại bỏ gĩi khi truyến trong mạng Cơ chế truyền lại nhanh suy luận từ cơ chế

truyền TCP Phía thu sẽ gửi các báo hiệu tới phía gửi rằng nĩ nhân được các gĩi khơng

theo trật tự Kĩ thuật này sẽ phải gửi rất nhiều bản sao ACK tới phía phát Đây là cách

để chỉ thị các gĩi bị mất Thay cho việc chờ đợi phản hồi ACK cho đến khi hết thời

gian thì nguồn gửi sẽ tự phát lại gĩi khi nhận được 3 bản sao ACK Việc này xảy ra

trước khi thời gian hết hạn do đĩ chúng cải thiện được khả năng thơng qua của mạng

Ví dụ khi một host nhận được gĩi thứ 5 và 7(mà khơng nhận được gĩi thứ 6) thì nĩ sẽ

gửi phản hồi ACK cho gĩi thứ 5 khi nĩ nhận được gĩi thứ 7

Khơi phục nhanh là cơ chế thay thế cho kiểu khởi đầu chậm khi truyền lại

nhanh được sử dụng Các ACK vẫn tiếp tục được truyền để chỉ thị cĩ bị mất gĩi hay

khơng cho tới khi phía nguồn nhận được ACK cĩ số thứ tự cao hơn gĩi bị mất Trong

trường hợp đĩ cĩ nghĩa là cĩ một gĩi đơn bị mất và mạng khơng bị nghẽn hồn tồn

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

Do đó phía phát không cần thiết phải quay trở lại khởi động chậm ngay lập tức mà chỉ

cần giảm tốc độ truyền xuống bằng một nửa so với tốc độ ban đầu

Việc loại bỏ gói là hoàn toàn không hiệu quả Nếu một host bị ngập tràn và tức

nghẽn xảy ra thì sẽ có rất nhiều gói bị mất Do đó việc loại bỏ tắc nghẽn sắp xảy đến

và quản lý tắc nghẽn tích cực là điều rất cần thiết Để thực hiện điều này ta sử dụng

quản lý hàng đợi tích cực, và lập lịch Quản lý hàng đợi là một kĩ thuật mà các router

loại bỏ gói một cách tích cực từ ngay trong hàng đợi để tránh tràn hàng đợi,và giảm

tốc độ Trong quản lý hàng đợi ta sử dụng thuật toán RED (phát hiện sớm ngẫu nhiên)

để thực hiện quản lý hàng đợi

1.3 Tổng kết chương

Trong chương 1 đã xem xét được vấn đề về khái niệm chất lượng dịch vụ QoS

và các tham số của QoS trong mạng IP Việc cải htiện chất lượng dịch vụ đáp ứng các

yêu cầu về chất lượng của khách hàng là vấn đề làm đau đầu các nhà cung cấp dịch vụ

Chương 1 giới thiệu hai kiểu trúc mạng cho phép cải thiện chất lượng dịch vụ : kiến

trúc mạng kiểu dịch vụ phân biệt (DiffServ) và kiến trúc mạng dịch vụ tích hợp

(IntServ) Đồng thời trong chương này còn giới thiệu sơ lược về các phương pháp điều

khiển tắc nghẽn trong mạng IP

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Cấu trúc CQS trong Router

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CQS TRONG ROUTER

Bất kì một mạng nào cũng đều được xây dựng dựa trên sự phân cấp các thành

phần mạng Bất kì một đường dẫn nào từ điểm này tới điểm khác đều là chuỗi mĩc nối

các đường dẫn ngắn nhất tại cùng một mức Tại lớp IP các router hoạt động như điểm

chuyển mạch cho các liên kết, các gĩi IP truyền giữa các hop Mỗi liên kết cĩ thể là

một hop IP đơn, hoặc được tạo nên từ nhiều hop hay node Để đảm bảo QoS trong

mạng thì bản thân mỗi Router phải cĩ khả năng quản lý được lưu lượng qua nĩ Chuẩn

ARPA đầu tiên coi các host, node như các bộ xử lý bản tin Internet (IMP-internet

message processor) Phiên bản đầu tiên của giao thức Internet gồm hai thành phần:

IMP-IMP và Host-IMP Trong suốt những năm 1970 các node cũng được xem như các

cổng (Gateway) Một số các giao thức định tuyến ngày nay vẫn gọi là giao thức cổng

trong (IGP-interior gateway protocol) và cổng ngồi (EGP-exterior gateway protocol)

ISO thì coi các host như các hệ thống đầu cuối cịn các node thì như các hệ thống trung

gian Khi các gĩi đi trong mạng thì tuỳ thuộc vào địa chỉ đích của các gĩi được lưu giữ

trong phần tiêu đề của gĩi mà các gĩi sẽ được định tuyến tới các host kế tiếp Việc

định tuyến này được thực hiện bởi các router:

của gĩi tin

với MTU (maximum transfer unit-kích thước truyền tối đa) của mạng thì

các gĩi tin sẽ được phân chia ra thành các gĩi nhỏ rồi mới truyền

2.1 Cấu trúc Router

2.1.1 Cấu trúc router

Mục đích của Router là để chuyển các gĩi tin IP trong mạng tuỳ theo địa chỉ IP

trong phần tiêu đề của gĩi Đây cũng là yêu cầu cung cấp các tính năng để các router

định tuyến và truyền các gĩi tốt hơn

Cấu trúc router gồm các khối chung:

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

Hình 2.1: Cấu trúc chung của Router trong mạng best effort

Các giao diện đầu vào chấp nhận các gói đến từ các router khác và (trên cơ sở

địa chỉ đích IP) sẽ hướng các gói tới hop tiếp theo qua giao diện đầu ra Khi các router

nhận thấy có dấu hiệu tắc nghẽn trong mạng thì các gói có thể bị loại bỏ hoặc đánh dấu

trong nó Việc lựa chọn đầu ra phản hồi tắc nghẽn của bộ chuyển gói được điều khiển

bởi khối quản lý Các router này chỉ có một bộ CPU trung tâm đơn xử lý toàn bộ việc

quản lý và chức năng hướng các gói Các router bây giờ hướng đến kiến trúc phân tán

nhằm loại bỏ hoặc hạn chế tắc nghẽn nút cổ chai

Khi QoS càng ngày càng trở nên quan trọng thì quá trình xử lý chuyển gói được

thiết kế lại

Hình 2.2: Tiến trình xảy ra trong bộ chuyển gói

Local statistics, masseges from other Router

Local updates massegé to other Router

Management Engine

Forwarding Engine

Local statistics, masseges from other Router

Local updates massegé to other Router

Management Engine

Forwarding Engine

Policing, Marking

Forwarding table Jjjjjj FIB

FIB

In put

Out put

FIB

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Cấu trúc CQS trong Router

Nhìn chung một gĩi được chuyển qua 3 tầng:

Tầng phân loại thiết lập ngữ cảnh cho các gĩi lần lượt đến xử lý bởi các router

Hầu hết các ngữ cảnh này dùng để thiết lập các đặc tính xử lý theo thời gian như: bắt

giữ, hàng đợi, đánh dấu, lập lịch, một số ngữ cảnh dùng để chỉnh sửa các yêu cầu

truyền gĩi

Để giải quyết tắc nghẽn ta cĩ thể sử dụng kiến trúc CQS tại tất các điểm tắc

nghẽn thậm chí bên trong mạng hay bên trong router Tất nhiên tại mỗi router cũng cĩ

thể xảy ra tắc nghẽn bên trong do đĩ nĩ cũng được cung cấp các hàng đợi và lập lịch

khác nhau tại các điểm

2.1.2 Chức năng của router

Do router cĩ nhiệm vụ đinh tuyến và truyền các gĩi tin trong mạng sao cho đảm

bảo nhất nên các router cĩ hỗ trợ các chức năng sau:

a Giao diện mạng

nhau (ví dụ: làm giao diện lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu giữa LAN và

WAN)

• Biên dịch địa chỉ khi cần thiết

b Định hướng các gĩi theo bảng định tuyến

Một router luơn hỗ trợ khả năng định tuyến và truyền các gĩi

router đích đã được chỉ thị trong phần header gĩi tin

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

• Bảng đinh tuyến thừa nhận tất cả các địa chỉ Broadcast (255.255.255.255),

địa chỉ multicast, unicast, và các tuyến mặc định cho các khả năng có thể

xảy ra của địa chỉ Địa chỉ defaul thường được mặc đinh bởi giá trị 0.0.0.0

• Địa chỉ đích được so sánh với các thực thể trong bảng định tuyến Bảng

định tuyến sẽ tìm ra node kế tiếp để truyền gói ngắn nhất

c Duy trì và cập nhật bảng định tuyến

định tuyến tĩnh (được cập nhật bằng nhân công) hoặc định tuyến động

(được cập nhận tự động bằng các giao thức định tuyến)

loại bỏ hoặc thêm vào các địa chỉ mới được điều hành bằng giao thức định

tuyến (ví dụ: địa chỉ của mạng con hoặc thiết bị được thêm vào hoặc loại bỏ

từ mạng nội hạt)

trong (IGP)cho việc định tuyến thay đổi giữa các router trong các mạng

khác nhau kế cận Các IGP hay sử dụng là: RIP(Routing Information

Protocol), OSPF(Open Shortest Path First)

cổng bên ngoài (EGP), thường sử dụng giao thức BGP4

định tuyến, chính sách định tuyến để phân tích các thông tin nhận được và

quyết đinh xem tuyến kế tiếp nào được chuyển gói đến Địa chỉ IP hoặc giải

địa chỉ IP trong bảng định tuyến thường xuyên được cập nhật

d Hỗ trợ giao thức Internet và các giao thức khác

• Tất cả các router đều hỗ trợ các giao thức IP và ICMP(Internet Control

Message Protocol) IP cho phép xử lý và định hướng các gói tin, ICMP

thực hiện điều khiển truyền tin

tiêu đề gói tin được kiểm tra đầu tiên sau đó tới các trường còn lại trong

phần tiêu đề Các gói có thời gian truyền vượt quá thời gian truyền cho

phép hay có địa chỉ IP đích không đúng sẽ bị loại bỏ, thông báo bởi các gói

ICMP được truyền về nguồn

đường truyền lớn nhất (PMTU-Path Maximum Transmission Unit) Bằng

cách này có thể gửi các gói có kích thước < kích thước của PMTU

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Cấu trúc CQS trong Router

trong tiêu đề của gĩi tin khơng phải là địa chỉ đích cuối cùng của gĩi thì lúc

này các hop tiếp theo được chỉ định bởi router trên cơ sở địa chỉ đích được

chỉ định

• Nhìn chung các giao thức lớp truyền tải khơng cần hỗ trợ bởi các router

trung gian ngoại trừ trường hợp yêu cấu cĩ quản lý mạng bên trong

địa chỉ multicast

e Điều khiển cấp phép và điều khiển tắc nghẽn

Cĩ một số router cĩ chức năng điều khiển cấp phép cho mạng bằng việc giới

hạn số lưu lượng dữ liệu được phép vào mạng Hành động này sẽ giảm tối đa tắc

nghẽn trong mạng

• Một số router thực hiện điều khiển tắc nghẽn bằng việc sử dụng cơ chế

truyền ưu tiên dựa vào các trường TOS, DS, IP precedence trong phần tiêu

đề gĩi tin Đây cũng là chức năng của cấu trúc CQS

điểm mà host yêu cầu kết nối được thiết lập hoặc ấn định băng thơng sử

dụng (trong các ứng dụng thời gian thực)

f Bảo mật và điều khiển truy cập trong router

• Hầu hết các router cung cấp chức năng điều khiển truy cập dựa trên quá

trình lọc gĩi và danh sách điều khiển truy cập (ACL-Acess Control List)

Một bộ lọc hoặc danh sách điều khiển truy cập sẽ kiểm tra địa chỉ IP nguồn,

và chỉ cĩ các gĩi tin được định hướng từ các nguồn đĩ mới được truyền tới

đích Điều nàycung cấp tính bảo mật cho gĩi tin

Address Translation) Các router biên dịch địa chỉ mạng Internet cơng cộng

thành địa chỉ mạng riêng

cổng giao tiếp giữa các host bên ngồi với các client hoặc server bên trong

mạng Các host bên ngồi khơng thể truyền trực tiếp gĩi tin từ ngồi tới các

server hay client bên trong được mà phải đướcự cho phép của các Proxy Một

proxy biên dịch các yêu cầu của giao thức lớp cao hơn của host bên ngồi và

quyết định yêu cầu nào sẽ được xử lý và yêu cầu nào khơng được chấp nhận

Sau đĩ proxy sẽ chuyển các yêu cầu này tới các client và server thực sự

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

g Lắp đặt cấu hình, quản trị mạng và giám sát

từ xa bằng các thực thể quản lý: MIB và SNMP (Simple Net Management

Protocol)

Protocol) để tải các file cấu hình và thiết lập mạng

thiết bị host khi chúng sử dụng giao thức BOOTP, DHCP

2.2 Cấu trúc CQS

Cấu tạo của các router kiểu cũ không còn phù hợp với sự phát triển của mạng,

nó không cho phép giải quyết được tắc nghẽn, hoạt động không hiệu quả khi luồng lưu

lượng trong mạng quá lớn và có tốc độ không cố định Do đó một cấu trúc router mới

được đưa vào sử dụng, đó là router có tích hợp cấu trúc CQS

Kiến trúc này được lắp đặt trong mỗi router cho phép đảm bảo QoS trong mạng,

thoả mãn các yêu cầu của mạng và người sử dụng các luồng thuộc các lớp dịch vụ

khác nhau

Hình 2.3: Kiến trúc CQS trong router

2.2.1 Phân loại (Classification)

Việc truyền trên mạng Internet ngày nay ngày càng phức tạp, do nó phải truyển

tải quá nhiều loại lưu lượng với các đặc tính khác nhau, yêu cầu các cách thức truyền

tải khác nhau Việc truyền tải lưu lượng,điều khiển truy nhập, và các dịch vụ khác

nhau đòi hỏi có sự phân biệt các gói dựa trên cơ sở đa trường trong tiêu đề của mỗi

gói, được gọi là phân loại gói tin Mạng sẽ đặt ra các mức ưu tiên cho các gói, dựa vào

mức ưu tiên này để điều khiển mạng khi có tắc nghẽn xảy ra Gói nào có độ ưu tiên

cao hơn sẽ được ưu tiên truyền trước, các gói có độ ưu tiên thấp hơn có thể bị loại bỏ

khi có tắc nghẽn xảy ra

Schedule

port m

Queue Queue

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Cấu trúc CQS trong Router

Cơ chế phân loại các gĩi của một router cĩ ảnh hưởng trực tiếp tới việc phân

chia các loại lớp dịch vụ của lưu lượng IP Trên thực tế thì ngữ cảnh các gĩi phụ thuộc

vào bản thân thơng tin chứa trong các gĩi đồng thời thơng tin cấu hình được gửi từ

giao diện đến của nĩ

Việc phân loại gĩi tin cũng là hình thức của cơ chế truyền gĩi dựa theo các mức

ưu tiên Để phân loại lớp các dịch vụ chủ yếu dựa vào thơng tin bên trong phần header

của gĩi Nếu thiết lập a bit trong phần header của gĩi để làm bit phân loại thì ta sẽ

phân loại được 2ª gĩi Các thơng tin phân loại được dặt trong trường TOS của IPv4,

TC của IPv6, và trường DS

Việc phân loại gĩi tin cĩ hiệu lực do được hỗ trợ bởi một số tính năng khác của

các dịch vụ mạng Internet: điều khiển truy cập, phân biệt dịch vụ, cân bằng tải, định

dạng lưu lượng…Mỗi dịch vụ yêu cầu các thiết bị Internet phải phân loại các gĩi vào

trong các luồng khác nhau và thực hiện các hành động phù hợp với các gĩi trong các

luồng đĩ Các luồng này được chỉ định bởi một bộ phân loại chứa tập hợp các luật lệ

Việc phân loại các gĩi tin dựa vào các nhãn QoS trong phần tiêu đề của gĩi tin

Các trường này đi kèm theo các giao thức:

giữa các cầu LAN ảo và VLAN)

2.2.1.1 Trường TOS (IPv4), TC (IPv6)

Các gĩi IPv4 luơn chứa 1 octet TOS cho phép phân loại gĩi từng chặng

Hình 2.4 : Trường TOS của IPv4

3 bit Precedence: thực hiện quyền đến trước của gĩi

3 bit 4 bit 1 bit Precedence T D R 0 0

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

4 bit TOS : mô tả loại dịch vụ truyền hoặc định tuyến

1000 : Trễ tối thiểu

0100 : Lưu lượng tối đa

0010 : Độ tin cậy tối đa

0001 : Giá trị tối thiểu

0000 : Dịch vụ bình thường

Trường precedence tận dụng 3 bit precedence trong trường TOS của phần tiêu

đề của IPv4 để phân biệt lớp dịch vụ cho mỗi gói Ta có thể phân chia lưu lượng thành

6 lớp dựa vào 3 bit trên (2 lớp được sử dụng cho các mạng nội hạt) 3 bít này tạo thành

8 mức ưu tiên từ 0 đến 7 cho các gói IP (hai mức 6 và 7 được dùng để dự trũ và không

bị thiết lập bởi nhà quản trị mạng) Việc phân loại dựa trên trường Precedence phụ

thuộc vào độ ưu tiên về mặt thời gian giữa 8 mức của quyền đến trước Lưu lượng

được chỉ định có thể được đánh dấu bằng cách thiết lập trường này, do đó nó chỉ được

phân loại chỉ 1 lần cho mỗi luồng lưu lượng

Bảng 2.1: Trường IP precedence định nghĩa độ ưu tiên cho tiến trình xử lý

và truyền gói tin

Flash Immediate Priority Routine

Mức độ ưu tiên cao nhất là 7 được dùng cho các gói điều khiển mạng, do đó các

gói liên qua tới thiết lập cấu hình mạng và điều khiển mạng có độ ưu tiên cao khi có

tắc nghẽn xảy ra Các gói có độ ưu tiên thấp nhất là các gói “Routine” Ít được quan

tâm hơn là các gói có độ ưu tiên được định nghĩa bởi các bit trong trường T, D, R

4 bit của trường TOS được xem như khoá phân loại để tra cứu FIB theo yêu cầu

về độ trễ, băng thông, độ tin cậy, giá(cost) của các gói được định tuyến dọc theo tuyến

11 trường hợp còn lại không được định nghĩa

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Cấu trúc CQS trong Router

Bảng 2.2: Ý nghĩa các bit trong trường D, T, R

Normal delay Normal throughput Normal realibility Set bit 0

Set bit 0

Low delay High throughput High realibility Not use

Not use Tương tự với trường TC trong IPv6 cũng được dùng để phân loại

2.2.1.2 Trường DS (Diffirentiated field)

Trường TOS chỉ dành cho xử lý các loại lưu lượng tiêu biểu, và nĩ chỉ giành

50% bit cĩ mặt cho quá trình định tuyến trên cơ sở QoS

Hình 2.5: Các bit trong trường DS của tiêu đề gĩi tin

DSCP (differentiated services code point): cho phép phân loại 64 luồng

CU (Currently unused)

Mỗi luồng lưu lượng cĩ các trạng thái đặc trưng, các đặc tính để phân biệt các

luồng lưu lượng được gọi là tập hợp cách cư xử của luồng (BA-behavior aggregate)

Phân tích các DSCP giúp cho các router của các dịch vụ phân biệt nhận biết các gĩi để

gửi các nhĩm PHB tương đương với nĩ

PHB là tài nguyên mạng được ấn định cho các luồng lưu lượng khác nhau

000 010LDP(low drop priority) 100MDP(medium drop priority) 110HDP(high drop priority)

110 xxx

RFC 1812 RFC 2597

RFC 2598 Highest Pr

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

• Default PHB (DSCP=000000) được định nghĩa bởi RFC 1812

cung cấp dịch vụ Internet ISP có thể phân chia khách hàng ra thành nhiều

lớp dịch vụ khác nhau Đối với mỗi lớp dịch vụ khác nhau sẽ được ấn định

các tài nguyên khác nhau, và độ ưu tiên khác nhau tuỳ thuộc vào giá trị

thanh toán dịchvụ của khách hàng Ngoài ra bên trong mỗi lớp dịch vụ còn

có thể được phân chia nhỏ thành các luồng riêng tuỳ thuộc vào mức ưu tiên

mà mỗi luồng có cách đối xử khác nhau (luồng có mức ưu tiên

LDP,MDP,HDP) Tại thời điểm có tắc nghẽn xảy ra luồng có độ ưu tiên

thấp sẽ bị loại bỏ đầu tiên

Được chỉ định sử dụng cho các lưu lượng thời gian thực (Ví dụ dùng trong báo

hiệu video chất lượng cao)

+ Băng thông phải được đảm bảo

Do đó EF PHB chủ yếu dựa trên các yêu cầu của chất lượng dịch vụ như: tỉ lệ

mất gói, độ trễ, jitter, băng thông

2.2.1.3 Phân loại đa trường MF

Việc sử dụng DS để phân loại 64 mức là quá ít trong tương lai, bên cạnh đó

router không biết rõ về địa chỉ đầu cũng như địa chỉ đích của gói Để thoả mãn các yêu

cầu trên ta dùng phân loại dựa trên đa trường MF Điều này yêu cầu MF phải bao trùm

địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, trường giao thức, số cổng nguồn, đích

Các trường sau phải được kiểm tra khi gói đi qua router: Protocol, address, port

number (104 bit) Hạn chế của phân loại đa trường là chỉ phân loại gói tin Ipv4 mang

số cổng TCP/UDP trong fragment đầu Do đó bộ phân loại MF tìm kiếm số cổng

TCP/UDP cụ thể để bỏ đi các Fragment kế sau của cùng một gói (trừ khi bộ phân loại

có sự tương quan giữa các fragment tiếp sau với các fragment đầu mang số cổng)

Thực chất byte TOS/DS luôn được mang trong mỗi fragment

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Cấu trúc CQS trong Router

Source address Destination address

Hình 2.6: Phần header của IPv4

Sử dụng 288 bit của trường: Source addr, destination addr, và TC làm đa

trường Thực chất chỉ dùng trường Flowlable và Source addr (148 bit) Cũng giống

như trong IPv4 thì số hốn vị đưa ra cho mỗi router tăng theo hướng mạng lõi, và giảm

theo mạng biên

Option Source address(128 bit) Destination address(128 bit)

Hình 2.7: Phần header của Ipv6 2.2.1.4 Hoạt động của tầng phân loại

Các gĩi được truyền trong mạng, cũng cĩ nghĩa là chúng được truyền giữa các

host, hoặc các router Các thiết bị trong mạng sẽ nhận các lưu lượng từ đường biên đầu

vào, chuyển vào trong mạng, sau đĩ đưa chúng tới đường biên mạng đầu ra Các lưu

lượng này cĩ thể được đĩng thành các gĩi cĩ kích thước khơgn đổi (dạng tế bào) hoặc

thành các gĩi cĩ kích thước thay đổi phù hợp với MTU của mạng Do đĩ các thiết bị

mạng phải cắt các gĩi ra thành từng gĩi cĩ cấu trúc tế bào hoặc cấu trúc khung Các

thơng tin truyền gĩi (cịn gọi là header của gĩi tin) và phần tải trọng (payload) của gĩi

được lưu giữ trong các cấu trúc đĩ Khi các gĩi đến giao diện đầu vào của một router

thì router sẽ so sánh phần thơng tin trong phần header của gĩi tin với các thơng tin

trong bảng FIB Tại đây các gĩi sẽ được phân loại dựa theo thơng tin trong các trường

đã nêu phần trước để thực hiện các xử lý phù hợp: như định hướng các gĩi tới chặng

tiếp theo, bắt giữ, hay dánh dấu các gĩi để trong trường hợp cĩ xảy ra tắc nghẽn thì sẽ

loại bỏ các gĩi cĩ độ ưu tiên thấp hơn Các gĩi sau đĩ được đưa tới các hàng đợi để

chờ gửi tới đầu ra tương ứng

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

2.2.2 Quản lý hàng đợi (Queue management)

2.2.2.1 Thế nào là quản lý hàng đợi

Các router chính trong mạng Internet được cấu hình có nhiều hàng đợi với kích

thước lớn, do đó các gói truyền trong mạng sẽ phải mất một thời gian dài để truyền

trong hàng đợi Trễ hàng đợi thậm chí còn lâu hơn cả trễ truyền trong mạng Đối với

các hàng đợi quá dài, khi xảy ra tắc nghẽn thì chính sách “loại bỏ phần đuôi” được sử

dụng nhiều Điều này có nghĩa là bất kì gói nào đến trong điều kiện hàng đợi bị đầy

đều bị loại bỏ trước khi vào được hàng đợi Vấn đề đặt ra là làm thế nào khi có tắc

nghẽn xảy ra Để giải quyết vấn đề này ta sử dụng các thuật toán quản lý hàng đợi và

lập lịch

Nói đơn giản thuật toán quản lý hàng đợi được sử dụng để quản lý chiều dài của

hàng đợi các gói bằng cách loại bỏ các gói khi cần thiết

Quản lý hàng đợi bao gồm các hoạt động:

2.2.2.2 Sự cần thiết của quản lý hàng đợi

Mục đích chính của hàng đợi là điều khiển lưu lượng, chống tắc nghẽn trong

mạng, đặc biệt là tại các nút cổ chai Kĩ thuật quản lý hàng đợi trước đây là thiết lập

một kích thước hàng đợi lớn nhất cho mỗi hàng đợi, các gói sẽ được đưa vào trong

hàng đợi cho đến khi hàng đợi đầy sau đó nếu còn có gói đến thì sẽ loại bỏ các gói mới

tới này Khi số lượng các gói trong hàng đợi giảm do được truyền tới chặng tiếp theo

thì lúc đó hàng đợi mới nhận tiếp các gói tới Đây cũng chính là kĩ thuật “loại bỏ phần

đuôi” (drop tail) Tuy nhiên cách này có 2 hạn chế:

để chiếm dụng không gian hàng đợi, ngăn chặn không cho các kết nối khác

cùng đến một hàng đợi Kĩ thuật này là kết quả của quá trình đồng bộ hoặc

có hiệu quả định thời

đầy thì bất kì luồng nào đến cũng đều bị loại bỏ cho tới khi số gói trong

hàng đợi giảm xuống Kĩ thuật này sẽ loại bỏ các bó thông tin chứ không

phải chỉ là các gói, do đó việc mất mát thông tin là rất lớn