Đánh giá và so sánh hiệu quả đảm bảo qos cho truyền thông đa phương tiện của mô hình intserv và diffserv

Mục đích và ý nghĩa của đề tài Mạng Internet truyền thống được xây dựng theo nguyên tắc “cố gắng tối đa” best effort, nghĩa là không có sự đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.. Truyền thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐỨC XUÂN BÌNH

VÀ DIFFSERV

Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT

Hà Nội – 2008

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined

MỤC LỤC 2

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 5

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

MỞ ĐẦU 10

1 Mục đích và ý nghĩa của đề tài 10

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

3 Cấu trúc các chương 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 12

1.1 Tổng quan 12

1.2 Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện 13

1.2.1 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh đã được lưu trữ trước (Streaming stored audio and video) 13

1.2.2 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh thời gian thực từ một nguồn đến nhiều đích 14

1.2.3 Truyền âm thanh và hình ảnh có tương tác thời gian thực (Real-time interactive audio and video) 15

1.3 Các tham số chất lượng dịch vụ 15

1.3.1 Băng thông 15 1.3.2 Độ trễ Error! Bookmark not defined.

1.3.3 Độ thăng giáng trễ Error! Bookmark not defined.

1.3.4 Sự mất mát gói tin Error! Bookmark not defined.

1.4 Các yêu cầu chất lượng dịch vụ Error! Bookmark not defined.

1.5 Các mô hình đảm bảo QoS Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC QoS Error! Bookmark not defined

2.1 Thành phần chung của kiến trúc QoS Error! Bookmark not defined.

2.1.1 Cung cấp QoS Error! Bookmark not defined.

2.1.2 Điều khiển QoS Error! Bookmark not defined.

2.1.3 Quản lý QoS Error! Bookmark not defined.

2.2 Các chức năng của QoS Error! Bookmark not defined.

2.2.1 Đánh dấu gói tin Error! Bookmark not defined.

2.2.2 Phân loại gói tin Error! Bookmark not defined.

2.2.3 Chính sách lưu lượng Error! Bookmark not defined.

2.2.4 Quản lý hàng đợi tích cực Error! Bookmark not defined.

2.2.4.1 Kỹ thuật loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm REDError! Bookmark not

defined

2.2.4.2 Kỹ thuật loại bỏ sớm theo trọng số WREDError! Bookmark not

defined

2.2.5 Lập lịch gói tin Error! Bookmark not defined.

2.2.5.1 Hàng đợi FIFO Error! Bookmark not defined

2.2.5.2 Hàng đợi có ưu tiên PQ Error! Bookmark not defined

2.2.5.3 Hàng đợi công bằng FQ Error! Bookmark not defined

2.2.5.4 Hàng đợi quay vòng có trọng số WRR Error! Bookmark not

defined

2.2.5.5 Hàng đợi công bằng có trọng số WFQ và hàng đợi theo lớp công

bằng có trọng số CB-WFQ Error! Bookmark not defined

2.2.6 Định dạng lưu lượng (Traffic Shaping)Error! Bookmark not defined.

2.2.6.1 Định dạng lưu lượng “thuần” (Pure traffic shaping) Error!

Bookmark not defined

2.2.6.2 Định dạng lưu lượng kiểu giỏ có sử dụng thẻ bài (Token bucket)

Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH DỊCH VỤ TÍCH HỢP INTSERVError! Bookmark not

defined

3.1 Tổng quan IntServ Error! Bookmark not defined.

3.2 Kiến trúc IntServ Error! Bookmark not defined.

3.2.1 Điều khiển chấp nhận Error! Bookmark not defined.

3.2.2 Phân loại Error! Bookmark not defined.

3.2.3 Lập lịch Error! Bookmark not defined.

3.2.4 Các dịch vụ của IntServ Error! Bookmark not defined.

3.3 Giao thức dành trước tài nguyên - RSVP (Resource Reservation

Protocol) Error! Bookmark not defined.

3.3.1 Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined.

3.3.2 Hoạt động của RSVP Error! Bookmark not defined.

3.3.3 Các kiểu dành trước tài nguyên RSVPError! Bookmark not defined.

3.3.4 Định dạng thông báo RSVP Error! Bookmark not defined.

3.3.5 Thông báo PATH Error! Bookmark not defined.

3.3.6 Thông báo RESV Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH DỊCH VỤ KHÁC BIỆT DIFFSERVError! Bookmark

not defined

4.1 Tổng quan DiffServ Error! Bookmark not defined.

4.2 Kiến trúc DiffServ Error! Bookmark not defined.

4.2.1 Miền DS (Different Service) Error! Bookmark not defined.

4.2.2 Vùng DS Error! Bookmark not defined.

4.3 Định nghĩa trường trong DiffServ Error! Bookmark not defined.

4.3.1 Đánh dấu gói tin trong bộ định tuyến thông thườngError! Bookmark

not defined.

4.3.2 Cấu trúc trường DS Error! Bookmark not defined.

4.3.3 Các mã phân biệt dịch vụ DSCP Error! Bookmark not defined.

4.4 Phân loại và điều hoà lưu lượng Error! Bookmark not defined.

4.5 Hành vi theo chặng PHB (Per-Hop Behaviors) Error! Bookmark not defined

4.5.1 Chuyển tiếp nhanh EF PHB Error! Bookmark not defined.

4.5.2 Chuyển tiếp đảm bảo AF PHB Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG Error! Bookmark not defined

5.1 Hệ mô phỏng NS2 Error! Bookmark not defined.

5.1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.

5.1.2 Kiến trúc của NS2 Error! Bookmark not defined.

5.1.3 Các nguồn sinh lưu lượng trong NS-2Error! Bookmark not defined.

5.2 Thực nghiệm mô phỏng mô hình IntServError! Bookmark not defined.

5.2.1 Thực nghiệm 1: Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ RSVP_TE Error!

Bookmark not defined.

5.2.1.1 Thiết lập cấu hình mô phỏng 1 Error! Bookmark not defined

5.2.1.2 Thực hiện và phân tích kết quả mô phỏng 1Error! Bookmark not

defined

5.2.2 Thực nghiệm 2: Mô phỏng mạng IP có hỗ trợ việc đặt trước tài nguyên

Error! Bookmark not defined.

5.2.2.1 Thiết lập cấu hình mô phỏng 2 Error! Bookmark not defined

5.2.2.2 Thực hiện và phân tích kết quả mô phỏng 2Error! Bookmark not

defined

5.2.3 Thực nghiệm 3: Mô phỏng hoạt động tự khôi phục kết nối đường

truyền bị “đứt” Error! Bookmark not defined.

5.2.3.1 Thiết lập cấu hình mô phỏng 3 Error! Bookmark not defined

5.2.3.2 Thực hiện và phân tích kết quả mô phỏng 3Error! Bookmark not

defined

5.3 Thực nghiệm mô phỏng mô hình DiffServ Error! Bookmark not defined

5.3.1 Mục tiêu thực nghiệm Error! Bookmark not defined.

5.3.2 Thiết lập cấu hình mô phỏng Error! Bookmark not defined.

5.3.3 Thực hiện mô phỏng Error! Bookmark not defined.

5.3.4 Kết quả mô phỏng và nhận xét Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh

DiffServ Differential Service

ETSI European Telecommunications Standards Institute

FLOWSPEC Flow Specification

IESG Internet Engineering Steering Group

MPLS Multi Protocol Label Switching

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Băng thông liên kết Error! Bookmark not defined Hình 2.1: Các thành phần trong cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS Error! Bookmark not defined

Hình 2.2: Các yêu cầu chức năng cơ bản của một bộ định tuyếnError! Bookmark not defined

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED Error! Bookmark not defined Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý lập lịch gói tin Error! Bookmark not defined Hình 2.5: Hàng đợi ưu tiên PQ Error! Bookmark not defined Hình 2.6: Hàng đợi công bằng FQ Error! Bookmark not defined Hình 2.7: Hàng đợi quay vòng có trọng số WRR.Error! Bookmark not defined Hình 2.8: Định dạng lưu lượng thuần Error! Bookmark not defined Hình 2.9: Định dạng lưu lượng bùng nổ kiểu giỏ có sử dụng thẻ bài Error! Bookmark not defined

Hình 3.1: Mô hình hoạt động dịch vụ tích hợp IntServ Error! Bookmark not defined

Hình 3.2: Nguyên lý hoạt động của RSVP Error! Bookmark not defined Hình 3.3: Các kiểu dành trước tài nguyên Error! Bookmark not defined Hình 3.4: Khuôn dạng bản tin RSVP và tiêu đề chung RSVP Error! Bookmark not defined

Hình 3.5: Khuôn dạng bản tin đối tượng RSVP Error! Bookmark not defined Hình 3.6: Class-Num và C-Type Error! Bookmark not defined Hình 3.7: Đối tượng kiểu Error! Bookmark not defined Hình 3.8: Định dạng thông báo RSVP PATH Error! Bookmark not defined Hình 3.9: Định dạng thông báo RSVP RESV Error! Bookmark not defined Hình 4.1: Mô hình các bước dịch vụ phân biệt DiffServ Error! Bookmark not defined

Hình 4.2: Miền IP Error! Bookmark not defined Hình 4.3: Miền DS Error! Bookmark not defined Hình 4.4: Một miền DS và các mạng con Error! Bookmark not defined Hình 4.5: Vùng DS Error! Bookmark not defined Hình 4.6: Tiêu đề gói tin IPv4 Error! Bookmark not defined Hình 4.7: Trường kiểu dịch vụ ToS trong tiêu đề IPv4 Error! Bookmark not defined

Hình 4.8: Tiêu đề gói tin IPv6 Error! Bookmark not defined Hình 4.9: Cấu trúc của trường phân biệt dịch vụ DS Error! Bookmark not defined

Hình 4.10: Dịch vụ phân biệt với PHB và TCA Error! Bookmark not defined.

Hình 4.11: Các khối điều hoà lưu lượng DiffServ (TCB) Error! Bookmark not defined

Hình 4.12: Xử lý chuyển tiếp nhanh EF PHB Error! Bookmark not defined.

Hình 5.1: Sự tương đồng giữa C++ và OTcl Error! Bookmark not defined Hình 5.2: Tổng quan về NS từ góc nhìn của người sử dụngError! Bookmark not defined

Hình 5.3: Mô hình vật lý mạng thực hiện mô phỏng Error! Bookmark not defined

Hình 5.4: Cấu hình mạng mô phỏng thực nghiệm 1Error! Bookmark not defined Hình 5.5: Lưu lượng các luồng trong thực nghiệm 1 Error! Bookmark not defined

Hình 5.6: Hình ảnh hoạt động của mạng trong thực nghiệm 2 trên cửa sổ nam

Error! Bookmark not defined Hình 5.7: Lưu lượng các luồng trong thực nghiệm 2 Error! Bookmark not defined

Hình 5.8: Cấu hình mạng mô phỏng thực nghiệm 3Error! Bookmark not defined.

Hình 5.9: Hình ảnh hoạt động của mạng trong thực nghiệm 3 trên cửa sổ nam

Error! Bookmark not defined Hình 5.10: Lưu lượng luồng trong thực nghiệm 3Error! Bookmark not defined Hình 5.11: Biến thiên trễ của luồng trong thực nghiệm 3 Error! Bookmark not defined

Hình 5.12: Kiến trúc của mô hình mô phỏng Error! Bookmark not defined Hình 5.13: Cấu hình mạng mô phỏng DiffServ trong NS2 Error! Bookmark not defined

Hình 5.14: Tập các tham số của WRED trường hợp một Error! Bookmark not defined

Hình 5.15: Biến thiên độ trễ các gói tin nguồn voice Error! Bookmark not defined

Hình 5.16: Biến thiên độ trễ các gói tin nguồn Video Error! Bookmark not defined

Hình 5.17: Biến thiên thông lượng đạt được của nguồn Video Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T 19

Bảng 1.2: Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI 20

Bảng 3.1: Các kiểu thông báo RSVP 46

Bảng 3.2: Các bit sử dụng cho điều khiển chia sẻ 49

Bảng 3.3: Các bit sử dụng cho điều khiển lựa chọn máy gửi 49

Bảng 4.1: Các mức hiệu năng DTR 58

Bảng 4.2: Các mã dịch vụ phân biệt DSCP 60

Bảng 4.3: Chi tiết phân lớp đảm bảo AF PHB 64

Bảng 5.1: TCS cho giao diện vào e1 80

Bảng 5.2: Ttập các tham số WRED 83

Bảng 5.3: Kết quả truyền lưu lượng các nguồn FTP trong các trường hợp khác nhau của WRED 86

MỞ ĐẦU

1 Mục đích và ý nghĩa của đề tài

Mạng Internet truyền thống được xây dựng theo nguyên tắc “cố gắng tối đa” (best effort), nghĩa là không có sự đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) Truyền thông đa phương tiện (multimedia) đòi hỏi mạng phải đảm bảo chất lượng dịch vụ

Để khắc phục nhược điểm của mạng Internet truyền thống, người ta đã đề xuất một

số mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ, trong đó có các mô hình IntServ và DiffServ Mô hình IntServ đòi hỏi phải có sự đặt trước tài nguyên ở tất các các router mà dịch vụ truyền thông đa phương tiện truyền các lưu lượng qua nên khó thực hiện nhưng có hiệu quả cao Mô hình DiffServ không yêu cầu đặt trước tài nguyên nên tương đối đơn giản, nhưng hiệu quả bị hạn chế Người thiết kế mạng cần đánh giá đúng các ưu nhược điểm của 2 mô hình trên và áp dụng tuỳ tình hình thực tế Đó là lý do thúc đẩy tôi chọn đề tài nghiên cứu này

Trong phạm vi của đề tài luận văn tốt nghiệp – “Đánh giá và so sánh hiệu

quả đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện của mô hình IntServ và DiffServ ”, tôi sẽ nghiên cứu các mô hình IntServ và DiffServ, thực hiện mô phỏng

bằng bộ mô phỏng mạng NS-2, từ đó đưa ra các đánh giá, so sánh hiệu quả đảm bảo QoS của hai mô hình này

2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết về đảm bảo QoS, kiến trúc QoS và các

mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ IntServ và DiffServ Đề tài còn giới thiệu việc sử dụng công cụ mô phỏng NS2 để mô phỏng các kiến trúc mạng dựa trên hai

mô hình IntServ và DiffServ Các kết quả của các thực nghiệm mô phỏng sẽ được dùng để đánh giá, so sánh hiệu năng của hai mô hình này

3 Cấu trúc các chương

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục như sau:

Chương 1: Tổng quan QoS cho truyền thông đa phương tiện

Chương 2: Kiến trúc QoS

Chương 3: Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ

Chương 4: Mô hình dịch vụ khác biệt DiffServ

Chương 5: Thực nghiệm mô phỏng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA

PHƯƠNG TIỆN

1.1 Tổng quan

Sự phát triển như vũ bão của các công nghệ mạng trong những năm gần đây

đã làm bùng nổ các ứng dụng mới trên Internet như truyền dòng số liệu video, điện thoại IP, hội thảo từ xa, trò chơi tương tác, thế giới ảo…Những ứng dụng truyền thông đa phương tiện được xem như là các ứng dụng trên môi trường truyền thông liên tục và có các yêu cầu về chất lượng dịch vụ khác với yêu cầu của các ứng

dụng truyền thống như: Email, Web, Remote login… Chúng cũng khác với các ứng dụng kiểu tải về trước rồi mới chạy (download-and-then-play)

Mỗi loại ứng dụng truyền thông đa phương tiện có các đòi hỏi QoS khác nhau Mục đích chính của việc đưa ra QoS là đưa ra sự đảm bảo có tính định lượng

về băng thông, độ trễ, độ thăng giáng trễ (jitter) hoặc tỉ lệ mất gói Để thực hiện đảm bảo QoS, mạng truyền thông cần có các thành phần cơ bản để đảm bảo QoS như sau: thành phần cung cấp QoS, thành phần điều khiển QoS và thành phần quản

lý QoS Rất nhiều cơ chế cho QoS được đưa ra để đáp ứng cho yêu cầu của ứng dụng người dùng và cũng để đạt được hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng ở mức cao nhất với chi phí tối thiểu

Để phân loại các bảo đảm QoS trong các mạng chuyển mạch gói người ta đã đưa ra hai tiêu chuẩn phân loại Tiêu chuẩn thứ nhất là bảo đảm QoS cho mỗi luồng lưu lượng (per-flow QoS) kiểu đầu cuối - đầu cuối (end-to-end) riêng biệt Theo tiêu chuẩn này có thể bảo đảm các giá trị giới hạn tuyệt đối về QoS Tiêu chuẩn thứ hai là bảo đảm QoS cho một nhóm các luồng (per-class QoS) Theo tiêu chuẩn này chỉ có thể bảo đảm QoS một cách tương đối Từ hai tiêu chuẩn này các nhà nghiên cứu đã đưa ra được nhiều mô hình đảm bảo QoS khác nhau

1.2 Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện

Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện chủ yếu truyền dữ liệu audio và video, chất lượng ứng dụng thay đổi hết sức nhạy với độ trễ, độ thăng giáng trễ và phụ thuộc vào một số tham số mạng khác như băng thông, tỉ suất lỗi v.v Nói chung, sự mất mát gói tin trong một giới hạn nhất định chỉ gây ra sự thực thi không đều của ứng dụng phía người nhận đối với dữ liệu audio hoặc video mà người dùng không nhận ra được và thường có thể che dấu được một phần hoặc hoàn toàn Điều này hoàn toàn ngược lại với các ứng dụng truyền thống, dữ liệu là tĩnh (text, image ) có thể chấp nhận độ trễ và độ thăng giáng trễ lớn nhưng không chấp nhận

sự mất mát dữ liệu

Các ứng dụng multimedia được sử dụng trên Internet ngày nay rất đa dạng Ở đây, chỉ xem xét ba loại ứng dụng multimedia phổ biến để thấy được những đặc điểm nổi bật của truyền thông đa phương tiện

1.2.1 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh đã được lưu trữ trước

(Streaming stored audio and video)

Trong ứng dụng loại này, client có thể yêu cầu nhận các file audio hoặc video được lưu trữ trên server bất kì lúc nào Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện loại này có 3 đặc trưng quan trọng:

1 Thông tin đa phương tiện được lưu trữ trước (Stored media): Nội dung file

audio hoặc video được lưu trữ tại server Vì thế, khi một file audio hoặc video đang chạy thì người dùng có thể thực hiện các hành động tương tác như là tạm dừng, tua

đi, tua lại, nhảy tới phía trước hoặc phía sau của file Thời gian đáp ứng các hành động này trong khoảng từ 1 cho đến 10 giây

2 Gửi đi thành dòng (Streaming): Sau một vài giây, client bắt đầu chạy file

audio hoặc video, trong khi nó vẫn tiếp tục nhận phần còn lại của file này từ server

Kỹ thuật này cho phép người dùng tránh phải chờ lâu để download toàn bộ file trước khi chạy file