Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)

Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)

-

NGUYỄN DIỆU NGÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2016

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN DIỆU NGÂN

ĐỊNH TUYẾN QoS SỬ DỤNG GIAO THỨC

OSPF MỞ RỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬTNGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS NGUYỄN TIẾN BAN

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chƣa hề đƣợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ nguồn gốc

rõ ràng và đƣợc phép công bố

Học viên thực hiện

Nguyễn Diệu Ngân

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN QoS 3

1.1 Giới thiệu định tuyến dựa trên QoS……… 3

1.1.1 Định tuyến 3

1.1.2 Định tuyến dựa trên QoS 6

1.1.3 Mục đích của định tuyến dựa trên QoS 8

1.2 Các vấn đề cơ bản của định tuyến dựa trên QoS ………9

1.2.1 Metric và sự tính toán đường đi 9

1.2.2 Lan truyền và duy trì thông tin 10

1.2.3 Mô hình thông tin trạng thái không chính xác 11

1.2.4 Điều khiển của quản trị mạng 12

1.2.5 Vấn đề thuật toán trong định tuyến dựa trên QoS 12

1.2.6 Tính động trong định tuyến dựa trên QoS 16

1.3 Giao thức OSPF và vấn đề mở rộng OSPF cho định tuyến QoS…… … 17

1.3.1 Giao thức OSPF 17

1.3.2 Độ tin cậy trong định tuyến dựa trên QoS 21

1.3.3 Đặt vấn đề nghiên cứu thuật toán OSPF mở rộng 22

CHƯƠNG 2 - CÁC CƠ CHẾ ĐỊNH TUYẾN QoS 26

2.1 Định tuyến QoS nội miền……… 26

2.1.1 Vấn đề thuật toán lựa chọn đường đi 27

2.1.2 Định tuyến đa đích 33

2.1.3 Định tuyến liên kết riêng biệt 35

2.1.4 Phương pháp định tuyến dựa trên dự đoán 36

2.2 Định tuyến QoS liên miền……… 39

2.2.1 Các mở rộng QoS và kỹ thuật lưu lượng sử dụng BGP 40

2.2.2 Các phương pháp che phủ 40

2.2.3 Multihoming 43

2.3 Bảng định tuyến……….46

2.3.1 Cơ chế trao đổi thông tin để xây dựng bảng định tuyến 47

2.3.2 Các chính sách cập nhật 48

2.3.3 Cơ chế chuyển tiếp 50

2.3.4 Chuyển tiếp hai mức giới hạn 53

CHƯƠNG 3 - OSPF MỞ RỘNG CHO ĐỊNH TUYẾN QoS 56

3.1 Mở rộng đảm bảo chất lượng dịch vụ cho OSPF 56 3.1.1 Các khả năng tùy chọn QoS 56

3.1.2 Mã hóa tài nguyên khi TOS mở rộng 57

3.1.3 Mã hóa băng thông 59

3.1.4 Mã hóa trễ 61

3.2 Các cơ chế thực hiện mở rộng QoS cho OSPF 61 3.2.1 Các thuật toán và thông tin lựa chọn đường dẫn 61

3.2.2 Thông báo thông tin trạng thái liên kết 70

3.3 Khảo sát cơ chế chuyển tiếp trong định tuyến OSPF mởrộng cho QoS 74 3.3.1 Hiệu suất của các phiên bản không giới hạn 76 3.3.2 Hiệu suất của các phiên bản giới hạn 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 - Định tuyến 3

Hình 1.2 - Ví dụ về phương pháp định tuyến dựa trên QoS 7

Hình 1.3 - Mỗi quan hệ giữa ba kiêu định tuyển 7

Hình 1.4 - Cấu trúc định tuyến phân cấp 14

Hình 1.5 - Ví dụ về bảng định tuyến phân cấp (của A1) 14

Hình 1.6 - Đường dần ngắn nhất trong một sơ đồ có hướng 16

Hình 1.7 – Cách thức lựa chọn đường đi của router trong mạng 18

Hình 1.8 - Bắt đầu từ router A và các LSA của nó 19

Hình 1.9 - Lựa chơn router B, và thêm các LSA của nó 19

Hình 1.10 - Lựa chọn router E, tuyến đường không tốt hơn tới router C 19

Hình 1.11 - Lựa chọn router c, và thêm các LSA của nó 19

Hình 1.12 - Lựa chọn router F, và thêm các LSA của nó 20

Hình 1.14 - Lựa chọn router D 21

Hình 2.1 - Ví dụ về việc dự đoán với 2 lộ trình 38

Hình 2.2 - Cơ chế chuyến tiếp gói tin tại một nút 51

Hình 3.1 – Các mô hình mạng 75

Hình 3.2 - MESH-I 75

Hình 3.3 - ISP 76

Hình 3.4 - Flooding không giới hạn: Quả tải trên MESH-I 76

Hình 3.5 - Flooding không giới hạn: băng thông nhận vào trong MESH-I 78

Hình 3.6 - Flooding không gicrì hạn: Quá tải trên ISP 78

Hình 3.7 - Flooding không giới hạn: hăng thông nhận vào trên ISP 79

Hình 3.8 - Giới hạn (L): Quá tải trên MESH-I 80

Hình 3.9 - Giới hạn (L): Băng thông nhận vào trên MESH-I 80

Hình 3.10 - Giới hạn (L): Quả tải trên 1SP 81 Hình 3.11 - Giới hạn (L): Băng thông nhận vào trên 1SP 82

CHƯƠNG 1 - DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 - So sảnh định tuyến trạng thải kết nối và véc-tơ khoảng cách 5

Bảng 1.2 - Bảng chuyên tiêp cho router A 18

Bảng 2.1 - Bảng chuyển tiêp tại nút v 50

Bảng 3.1 - Octet các tùy chọn OSPF 56

Bảng 3.2 - Mã hóa các giả trị TOS RFC 1349 57

Bảng 3.3 - Mã hóa các giá trị QoS RFC 2676 58

Bảng 3.4 - Phạm vi của các giả trị mũ cho 13bit, dựa vào mã hóa 8 59

MCOP Multi-Constrained Optimal Path

Tuyến tối ưu đa ràng buộc

MCP Multi-Constrained Path Tuyến đa ràng buộc

MOSPF Multicast Open Shortest Path

First

Mở đường ngắn nhất đầu tiên đa điểm

MP-BGP Multi-Protocol BGP BGP đa giao thức

MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

OSPF Open Shortest Path First Mở đường ngắn nhất đầu tiên

PNNI Private Network - Network

QoSR QoS-based Routing Định tuyến dựa trên Chất lượng

dịch vụ RIS Routing Information Service Dịch vụ thông tin định tuyến

RSVP Reservation Protocol Giao thức giữ chỗ

SAMCRA Self-Adaptive Multiple

Constraints Routing Algorithm

Thuật toán định tuyến đa ràng buộc tự thích ứng

SLA Service Level Agreement Thỏa thuận mức độ dịch vụ

UMTS Universal Mobile

Telecommunications Systems

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WIFI Wireless Fidelity Thông tin không dây trung thực

Vấn đề định tuyến trên mạng Internet hiện nay tập trung chủ yếu vào việc cung cấp kết nối và thường chỉ hỗ trợ dịch vụ dữ liệu ―cố gắng tối đa‖, với các giao thức định tuyến dùng phương pháp định tuyến tìm đường ngắn nhất OSPF, việc định tuyến được tối ưu dựa trên các số đo tĩnh như là số lượng các chặng và các trọng số mang tính quản trị Dịch vụ được cung cấp bởi những giao thức này chỉ thích hợp cho các ứng dụng dữ liệu truyền thống mà không thích hợp cho nhiều ứng dụng yêu cầu sự đảm bảo chặt chẽ về độ trễ và băng thông Hơn nữa, với sự phát triển bùng nổ của lưu lượng Internet, việc duy trì định tuyến tìm đường ngắn nhất của Internet hiện thời dẫn đến sự phân bố mất cân đối của lưu lượng

Các giao thức định tuyến hiện nay được sử dụng trong các mạng IP, không

có bất kỳ nhận thức nào về nguồn tài nguyên sẵn có và yêu cầu Điều này có nghĩa

là luồng lưu lượng thường được định tuyến qua các tuyến đường không có khả năng

hỗ trợ các yêu cầu của chúng, trong khi các tuyến đường kế tiếp nhau với đủ các nguồn tài nguyên có sẵn Điều này có thế dẫn đến suy giảm đáng kể về hiệu suất Mục tiêu của định tuyến đảm bảo QoS là cung cấp các thuật toán định tuyến có khả năng nhận biết đường dẫn để đáp ứng số lượng tối đa có thể có của các luồng lưu lượng với các yêu cầu QoS Theo đó, định tuyến đảm bảo QoS trong bối cảnh của Internet ngày nay đã nhận được sự quan tâm ngày càng lớn

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài nghiên cứu: ―Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng‖ được lựa chọn Thay vì tìm hiểu các vấn đề chung khá rộng lớn của định tuyến QoS, ở đây chỉ tập trung vào một vấn đề cụ thể, dựa trên một giao thức định tuyến hiện có Cụ thể là, mô tả một tập hợp các đề xuất bổ sung cho giao thức định tuyến OSPF để hỗ trợ cho việc định tuyến đảm bảo chất lượng của dịch vụ (QoS) trong IP Tập trung vào các luồng lưu lượng đơn điểm, chú trọng tới các metric cần thiết để hỗ trợ QoS, các cơ chế thông báo liên kết kết hợp, thuật toán lựa chọn đường dẫn, cũng như các khía cạnh của việc thiết lập tuyến đường đảm bảo QoS Mục tiêu là định rõ một cách tiếp cận, trong khi đạt được các mục tiêu cải thiện hiệu suất cho các luồng lưu lượng QoS, làm như vậy với các tác động ít nhất

có thể trên giao thức OSPF hiện có

Nội dung chính của luận văn gồm ba chương:

Chương 1: Tổng quan về định tuyến đảm bảo QoS

Nội dung chính của chương này là giới thiệu các khái niệm, các vấn đề liên quan cần nghiên cứu về định tuyến đảm bảo QoS và đặt vấn đề cho các mở rộng

sang OSPF

Chương 2: Cơ chế định tuyến QoS

Nội dung chính là trình bày về định tuyến QoS trong mạng phân cấp và các

cơ chế định tuyến đảm bảo QoS

Chương 3: OSPF mở rộng cho định tuyến đảm bảo chất lượng

Nội dung tập trung vào các mở rộng của OSPF cho định tuyến QoS

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN QoS 1.1 Giới thiệu định tuyến dựa trên QoS

Định tuyến là sự lựa chọn đường đi để truyền một đơn vị dữ liệu từ trạm nguồn đến trạm đích trong một liên mạng theo tiêu chí nhất định Chức năng định tuyến được thực hiện ở tầng mạng, cho phép router đánh giá các đường đi sẵn có tới đích và chọn đường đi thích hợp (Hình 1.1) Để đánh giá đường đi, định tuyến sử dụng các thông tin topo mạng, các thông tin này có thể do người quản trị thiết lập hoặc được thu lượm thông qua các giao thức định tuyến

Mục tiêu cơ bản của các phương pháp định tuyến là nhằm sử dụng tối đa tài nguyên mạng, và tối thiểu hoá giá thành mạng Để đạt được điều này kỹ thuật định tuyến phải tối ưu được các tham số mạng và người sử dụng như: xác suất tắc nghẽn,

băng thông, độ trễ, độ tin cậy, giá thành,v.v Vì vậy, một kỹ thuật định tuyến phải thực hiện tốt hai chức năng chính sau đây:

• Quyết định chọn đường theo những tiêu chuẩn tối ưu nào đó

• Cập nhật thông tin định tuyến

Tuỳ thuộc vào kiến trúc, hạ tầng cơ sở mạng mà các kỹ thuật định tuyến khác nhau được áp dụng Các tiêu chuẩn tối ưu khi chọn đường dẫn từ trạm nguồn tới trạm đích có thể phụ thuộc vào yêu cầu người sử dụng dịch vụ mạng Giữa mạng và người sử dụng có thể có các thoả thuận ràng buộc về chất lượng dịch vụ cung cấp hay một số yêu cầu khác, điều đó có thể dẫn tới khả năng chọn đường của mạng chỉ

là cận tối ưu đối với một loại hình dịch vụ cụ thế, hoặc với một số nhóm người sử dụng dịch vụ cụ thể Chức năng cập nhật thông tin định tuyến là chức năng quan trọng nhất mà các giao thức định tuyến phải thừa hành, các giải pháp cập nhật thông tin định tuyến đưa ra hiện nay tập trung vào giải quyết bài toán cân đối lưu lượng báo hiệu và định tuyến trên mạng với tính đầy đủ và sự nhanh chóng của thông tin định tuyến

Có nhiều cách đế phân loại giao thức định tuyến, trong đó cách phân loại phổ biến nhất là phân định tuyến thành định tuyến theo véc-tơ khoảng cách và định tuyến theo trạng thái liên kết

• Định tuyến theo trạng thái liên kết: các nút mạng quảng bá thông tin định tuyến tới tất cả các nút trong liên mạng Tuy nhiên, mỗi router chỉ gửi một phần bảng định tuyến (phần mô tả trạng thái kết nối của router) và xây dựng một bức tranh về toàn bộ mạng trong bảng topo Mỗi khi topo trạng thái kết nối thay đổi, các router đầu tiên biết được sự thay đổi này sẽ gửi một thông báo trạng thái kết nối LSA (Link State Advertisement) mới tới các router khác hoặc tới một router chỉ định (nơi các router khác có thể sử dụng để cập nhật) LSA này sẽ được tràn ngập (flooding) tới tất cả các router trên liên mạng

• Định tuyến theo véc-tơ khoảng cách: là một thuật toán thích nghi nhằm tính toán con đường ngắn nhất giữa các cặp nút trong mạng, dựa trên phương

pháp tập trung được biết đến như là thuật toán Bellman-Ford Các nút mạng thực hiện quá trình trao đổi thông tin trên cơ sở của địa chỉ đích, nút kế tiếp và con đường ngắn nhất tới đích

Khi tính toán đường đi ngắn nhất sử dụng định tuyến theo trạng thái liên kết

và định tuyến theo véc-tơ khoảng cách, thông tin trạng thái của mạng thể hiện qua các số đo (Metric) thông qua giá (cost), các bộ định tuyến phải được cập nhật giá trên tuyến kết nối Khi có sự thay đổi topo mạng hoặc lưu lượng, các nút mạng phải khởi tạo và tính toán lại tuyến đường đi ngắn nhất, tuỳ theo giao thức được sử dụng trong mạng

Các bảng định tuyến chứa thông tin được sử dụng bởi phần mềm chuyển mạch để chọn tuyến tốt nhất Các thuật toán phức tạp có thể chọn tuyến dựa trên nhiều metric bằng cách kết hợp chúng thành một metric phức hợp Các metric được

sử dụng phổ biến gồm: chiều dài đường đi, độ tin cậy, độ trễ, băng thông, tải và giá truyền thông Chúng ta có thể so sánh định tuyến véc-tơ khoảng cách với định tuyến trạng thái kết nối theo một số tiêu chí như trong Bảng 1.1:

Bảng 0.1 - So sảnh định tuyến trạng thải kết nối và véc-tơ khoảng cách.

Nhận thức về topo mạng từ các

router kế cận Có được cái nhìn toàn cảnh về liên mạng Cộng vào véc-tơ khoảng cách từ

router này tới router khác

Tính toán đường đi ngắn nhất tới tất cả các router

Cập nhật định kỳ, hội tụ chậm Cập nhật ngay khi thay đổi, hội tụ nhanh

Chuyển bản sao của bảng định tuyến

tới các router kế cận

Chuyển cập nhật định tuyến trạng thái kết nối tới tất cả các router

Định tuyến véc-tơ khoảng cách lấy dữ liệu topo từ thông tin bảng định tuyến của các router kế cận Định tuyến trạng thái kết nối có được một cái nhìn toàn cảnh

về topo của liên mạng bằng cách tích luỹ tất cả các LSA cần thiết

Định tuyến véc-tơ khoảng cách xác định đường đi tốt nhất bằng cách cộng thêm vào giá trị metric mà nó nhận được khi thông tin định tuyến được gửi từ router này tới router khác Đối với định tuyến trạng thái kết nối, mỗi router làm việc độc lập trong việc tính toán đường đi ngắn nhất tới các mạng đích

Trong hầu hết các giao thức định tuyến véc-tơ khoảng cách, cập nhật định tuyến về thay đổi topo mạng được gửi định kỳ Các cập nhật được gửi từ router này tới router khác, dẫn đến mạng hội tụ chậm Với các giao thức định tuyến trạng thái kết nối, cập nhật được gửi ngay khi topo mạng thay đổi Các gói thông báo trạng thái kết nối LSA có kích thước tương đối nhỏ được chuyển tới tất cả các router, do

đó thời gian hội tụ sẽ nhanh hơn khi topo mạng thay đối

Định tuyến dựa trên QoS là cơ chế định tuyến theo đó đường đi cho các luồng được xác định dựa trên một số hiểu biết về sự sẵn sàng của tài nguyên trong mạng cũng như nhu cầu QoS của luồng [3] Hay nói cách khác, đó là ―một giao thức định tuyến động có mở rộng tiêu chí chọn đường của nó bao gồm các tham số QoS như băng thông sẵn có, hiệu quả sử dụng đường đầu cuối và kết nối, mức tiêu thụ tài nguyên nút, trễ và trượt, biến động trễ‖ Nói một cách ngắn gọn là định tuyến động có tính đến QoS

Hình 1.2 là ví dụ đơn giản về định tuyến dựa trên QoS Giả sử có luồng lưu lượng từ nút A tới nút C yêu cầu băng thông 4Mbps, mặc dù đường A-B-C ngắn hơn, nhưng nó sẽ không được chọn vì không có đủ băng thông Thay vào đó đường A-D-E-C được chọn

Hình 0.2 - Ví dụ về phương pháp định tuyến dựa trên QoS

Bên cạnh đó, còn có hai khái niệm liên quan là định tuyến dựa trên chính sách và định tuyến ràng buộc Mối quan hệ giữa ba kiểu định tuyến được thế hiện trong hình 1.3

Hình 0.3 - Mỗi quan hệ giữa ba kiêu định tuyển

Định tuyến dựa trên chính sách là quyết định định tuyến không dựa trên hiểu biết về topo mạng và các số đo mà dựa theo các chính sách quản trị Định tuyến theo chính sách thường được cấu hình tĩnh

Định tuyến ràng buộc là một quan niệm phát triển từ định tuyến dựa trên ỌoS nhưng có ý nghĩa rộng hơn Nó tính đường đi đế thoả mãn một số ràng buộc, bao gồm cả các ràng buộc về QoS (yêu cầu QoS và sự sẵn sàng của tài nguyên) và các ràng buộc theo chính sách

1.1.3 Mục đích của định tuyến dựa trên QoS

Các giao thức định tuyến Internet hiện nay được gọi là giao thức định tuyến

―cố gắng tối đa‖ Các giao thức này chỉ sử dụng ―đường ngắn nhất‖ tới đích, chúng thường dùng các thuật toán tối ưu với mục tiêu đơn, theo đó chỉ xem xét một số đo (băng thông, số chặng, giá) Như vậy, toàn bộ lưu lượng được định tuyến vào

―đường ngắn nhất‖, ngay cả khi tồn tại đường cạnh tranh khác, chúng không được

sử dụng chừng nào chúng chưa trở thành đường ngắn nhất Điều này có thể dẫn tới tắc nghẽn của một vài kết nối, trong khi các kết nối khác không được dùng hết

Định tuyến ―cố gắng tối đa‖ sẽ chuyển lưu lượng từ một đường tới đường

―tốt hơn‖ mỗi khi nó tìm được Việc này xảy ra ngay cả khi đường đang dùng đáp ứng được các yêu cầu dịch vụ của lưu lượng Kiểu chuyển đổi này là không mong muốn vì nó dẫn tới sự dao động định tuyến, lưu lượng sẽ bị định tuyến qua lại giữa các đường cạnh tranh Thậm chí còn tồi tệ hơn vì kiếu dao động này có thế làm tăng biến động trễ và trượt

Định tuyến dựa trên QoS được cho là giải quyết hoặc tránh các vấn đề đã nêu trên Các mục tiêu chính của định tuyến dựa trên QoS là:

• Thứ nhất, là để đáp ứng các yêu cầu QoS của người sử dụng Định tuyến dựa trên QoS được giả thiết là đế tìm một đường từ nguồn đến đích để thoả mãn các yêu cầu của người sử dụng về băng thông, trễ đầu cuối, Ngoài ra, việc này phải được thực hiện trong chế độ động chứ không phải là cấu hình tĩnh Trong trường hợp có một vài tuyến khả thi sẵn có, tuyến được lựa chọn có thể là cơ sở cho một vài chính sách ràng buộc Ví dụ: chúng ta có thể chọn tuyến ít chi phí nhất hoặc theo nhà cung cấp dịch vụ chỉ định

•Thứ hai, là để tối ưu hoá mức độ sử dụng tài nguyên mạng Đây là mục đích theo quan điểm của nhà cung cấp dịch vụ Tất cả các nhà cung cấp muốn khai thác tối đa khả năng mạng hiện thời của họ, nhờ thế đạt lợi nhuận cao nhất Bên cạnh đó, đây cũng là yêu cầu xuất phát từ góc độ kỹ thuật xây dựng mạng Định tuyến dựa trên QoS được trông đợi để quản lý lưu lượng mạng một cách hiệu quả sao cho

thông lượng qua mạng là lớn nhất Một lược đồ thông thường là luôn lựa chọn đường ngắn nhất trong số các đường khả thi, vì đường dài hơn có nghĩa là sử dụng tài nguyên mạng nhiều hơn

•Thứ ba, khi mà mạng ở tình trạng tải lớn, khả năng thực thi của mạng giảm, giống như xảy ra tắc nghẽn, định tuyến dựa trên QoS được mong đợi là sẽ cho chất lượng tốt hơn (ví dụ: thông lượng tốt hơn) so với định tuyến cố gắng tối đa, (định tuyến cố gắng tối đa có thể làm giảm thực thi mạng một cách đột ngột)

1.2 Các vấn đề cơ bản của định tuyến dựa trên QoS

Định tuyến dựa trên QoS thì khó thiết kế và thực thi hơn nhiều so với định tuyến cố gắng tối đa Trong hầu hết các trường hợp mục đích không phải là tìm giải pháp tốt nhất, mà là tìm giải pháp với chi phí có thể chấp nhận được

1.2.1 Metric và sự tính toán đường đi

Có hai vấn đề cơ bản của phương pháp định tuyến dựa trên QoS: Thứ nhất,

đo và thu thập thông tin trạng thái mạng như thế nào; Thứ hai, tính toán các lộ trình dựa trên thông tin đã thu được như thế nào Sự lựa chọn metric là rất quan trọng theo nghĩa rằng: ―các metric phải thể hiện các đặc tính mạng cơ bản mà ta quan tâm‖ Do đó các metric như băng thông sẵn có, trễ, biến động trễ, được sử dụng phổ biến; cũng như là các metric xác định kiểu bảo đảm QoS mà mạng cung cấp Không có phương pháp hỗ trợ yêu cầu QoS nào mà không thể biếu diễn bởi tố hợp nào đó của các metric hiện hữu

Bên cạnh đó cần xem xét sự phức tạp trong tính toán, nghĩa là việc tính toán đường đi dựa trên một metric hoặc tổ hợp các metric phải không quá phức tạp Tiếc rằng, định tuyến dựa trên QoS thường được thực hiện với nhiều ràng buộc và việc tính toán đường dựa trên tổ hợp nhất định nào đó của các metric đã được chứng minh là bài toán NP (No Polynomial) hoàn thiện Rất nhiều thuật toán được đề xuất

để giải quyết vấn đề này Một phương pháp chung nhất được gọi là ―lọc tuần tự‖, nghĩa là ―một tổ hợp của các metric được sắp xếp thứ tự theo một dạng nào đó phản ánh tầm quan trọng của các metric khác nhau‖ Các đường đi dựa trên metric đầu

tiên được tính toán trước tiên và tập con của chúng được loại bỏ dựa trên metric thứ hai và cứ như thế cho đến khi một đường đơn được tìm thấy Đây là sự cân bằng giữa sự tối ưu hoá phẩm chất và sự đơn giản trong tính toán

Việc tính toán đường đi cũng liên quan chặt chẽ tới việc dành trước tài nguyên, nghĩa là một khi đường thích hợp đã được chọn thì tài nguyên tương ứng (băng thông, không gian đệm trong các bộ định tuyến, ) phải được dành cho dòng lưu lượng, vì vậy không thế dành cho các dòng khác Hậu quả là, lượng tài nguyên sẵn có (như băng thông) sau khi dành trước phải được tính toán lại và thông tin đó phải được phát tán tới các bộ định tuyến khác Bằng cách này tất cả các bộ định tuyến có thể tạo quyết định đúng đắn cho các luồng khác nhau

1.2.2 Lan truyền và duy trì thông tin

Một vấn đề quan trọng là thông tin định tuyến thường được trao đổi giữa các

bộ định tuyến như thế nào Định tuyến dựa trên ỌoS cần trao đổi nhiều thông tin hơn định tuyến cố gắng tối đa Thứ nhất, ngoài thông tin định tuyến cần có giống như định tuyến cố gắng tối đa, cần trao đổi cả những thông tin QoS, ví dụ như băng thông sẵn có Thứ hai, các metric được sử dụng trong định tuyến dựa trên QoS có thể thay đổi rất nhanh (một lần nữa, băng thông sẵn có là một ví dụ điển hình) Nếu như thông tin định tuyến được trao đối mỗi khi có sự thay đổi giá trị metric, nó sẽ gây ra một tải trọng lớn cho các kết nối mạng và các bộ định tuyến, tiêu thụ băng thông của mạng và các nhịp CPU của các bộ định tuyến

Một cách chung nhất là thiết lập một ngưỡng để phân biệt các thay đổi đáng

kể từ các thay đổi nhỏ Thông tin chỉ được trao đổi khi xảy ra một thay đổi đáng kể Làm như thế, có thể đem lại sự ổn định của các tuyến QoS Thêm nữa, đây là sự trả giá giữa hiệu quả và sự chính xác của thông tin định tuyến Một phương pháp khác

là chỉ xem xét các tài nguyên sẵn có sau khi dành trước thay cho các tài nguyên có thực Lấy băng thông là ví dụ Giả sử một đường kết nối trong mạng có băng thông 4Mbps, trong đó băng thông 3Mbps đã được dành trước bởi một số đường nào đó

Vì vậy băng thông sẵn có còn lại là lMbps Trong điều kiện là không có một luồng mới nào dành lấy băng thông sẵn có này và không có luồng nào trả lại băng thông

hiện đang giữ, thì băng thông sẵn có được coi là lMbps Nói cách khác, ta không xem xét lượng băng thông được dành trước nhưng không được sử dụng, mặc dù băng thông được dùng trong thực tế có thể thay đổi theo thời gian (có thể là l,5Mbps tại thời điểm này và 2,5Mbps tại thời điểm khác) Hai cách này có thế được

sử dụng cùng với nhau

Một vấn đề liên quan là duy trì thông tin thu được như thế nào Nếu ta giữ thông tin cho từng luồng trong các bộ định tuyến, thì kích thước của bảng định tuyến sẽ tăng lên rất nhanh Có một gợi ý là chỉ giữ bảng định tuyến cho lưu lượng

cố gắng tối đa và tính toán các đường đi cho các luồng QoS theo nhu cầu Đây là sự

hy sinh thời gian tính toán thay cho không gian bộ nhớ Một phương pháp khác có thể là nhóm luồng Thay cho việc ghi nhớ thông tin về các luồng riêng rẽ ta có thế nhóm các luồng và chỉ duy trì thông tin về các nhóm luồng, với số lượng rõ ràng ít hơn

Một xu hướng trong thiết kế thuật toán định tuyến dựa trên QoS là ngày càng

có nhiều người tin rằng định tuyển QoS về bản chất là không chính xác ―Không chính xác‖ có nghĩa rằng thông tin trạng thái dùng trong định tuyến là không chính xác Các nguồn gốc của sự không chính xác là:

• Tính động của mạng: một vài tham số hay metric (cụ thê là băng thông sẵn có và độ trễ) gắn với nút và kết nối của mạng thay đổi theo thời gian Sẽ rất khó (thậm chí là không thể) để gửi cho thông tin thật chính xác

• Nhóm thông tin định tuyến: như đã đề cập ở phần trước, nhóm định tuyến là được khuyến khích để giảm sự định tuyến cập nhật tải và sự định tuyến chứa tải, đặc biệt cho các mạng lớn Tong tin của nhóm thường mang tính đại diện hoặc tính trung bình

• Thông tin ẩn: đối với việc bảo mật hoặc một vài nguyên nhân khác, một vài thông tin định tuyến được ẩn đi và do đó không thể nhận ra

• Các tính toán gần đúng: không có giá trị nào của tham số hay metric của mạng thực sự là chính xác Đó chỉ là các giá trị gần đúng của các giá trị thực, theo thời gian thực

Có một số vấn đề điều khiển liên quan tới QoS

• Thứ nhất là vấn đề ưu tiên và chiếm đoạt: các luồng khác nhau trong mạng có các yêu cầu QoS khác nhau, vì thế có mức ưu tiên khác nhau Các luồng quan trọng có thế được gán mức ưu tiên cao hơn các luồng khác Khi tài nguyên (ví

dụ như băng thông) không có đủ, các luồng này có thể chiếm tài nguyên từ các luồng có mức ưu tiên thấp hơn Ví dụ luồng thoại hoặc video (với yêu cầu nghiêm ngặt về trễ và băng thông) có thể được gán mức ưu tiên cao hơn và được phép chiếm băng thông hoặc bộ đệm của các luồng FTP (File Transfer Protocol - Giao thức truyền tệp)

• Thứ hai là vấn đề kiểm soát tài nguyên: Trong khung cảnh mạng có nhiều lớp dịch vụ lưu lượng, tài nguyên phải được phân phối công bằng giữa các dịch vụ Như vậy sự thiếu hụt tài nguyên của các lớp dịch vụ ưu tiên thấp có thể tránh được Việc bố trí tài nguyên này có thể được thực hiện ở dạng động Định tuyến dựa trên QoS cần bao hàm các sơ đồ điều khiển như trên

1.2.5 Vấn đề thuật toán trong định tuyến dựa trên QoS.

Về cơ bản có thể chia các thuật toán định tuyến dựa trên QoS thành ba loại: định tuyến chặng tới chặng (còn gọi là định tuyến phân tán), định tuyến nguồn và định tuyến phân cấp Chúng được chia theo cách duy trì thông tin trạng thái và tìm đường thích hợp để truyền như thế nào

• Định tuyến nguồn: Mỗi bộ định tuyến đều chứa thông tin trạng thái của mạng và đường được chọn dựa trên thông tin trạng thái này Sau khi đường được xác định, bộ định tuyến nguồn thông báo cách đưa các lưu lượng tải cho các

bộ định tuyến khác theo đường đó Sau đó luồng sẽ được định tuyến đến đích phù hợp Định tuyến nguồn là đơn giản theo nghĩa rằng chỉ bị quyết định bởi nguồn

Các bộ định tuyến khác theo đường truyền chỉ cần theo đường xác định trước đó và

nó sẽ không gây ra sự định tuyến lòng vòng Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm

o Thứ nhất, yêu cầu mỗi bộ định tuyến chứa thông tin trạng thái mạng hoàn chỉnh, mà điều này là khó duy trì, đặc biệt đối với mạng lớn

o Thứ hai, nếu giảm những cập nhật thông tin trạng thái để làm giảm sự quá tải lưu lượng, thì độ chính xác của thông tin có thế bị giảm đi

o Thứ ba, mặc dù các bộ định tuyến khác có thể dễ dàng định hướng lưu lượng, nhưng việc tính toán tải tại các bộ định tuyến nguồn là rất lớn Do vậy, thuật toán định tuyến nguồn không linh hoạt, do vậy không tốt cho các mạng lớn

• Định tuyến phân tán: Trong định tuyến phân tán, mỗi bộ định tuyến chỉ biết các chặng kế tiếp tới đích Do đó khi một gói truyền tới, bộ định tuyến chỉ chuyển nó tới bộ định tuyến chặng tiếp theo Theo từng bước như vậy, gói được đưa đến đích Phần lớn các giao thức mạng Internet (như RIP) đều dùng thuật toán này

Do vậy, dễ dàng để thiết kế và phù hợp hơn với các giao thức định tuyến hiện nay Việc tính toán tải định tuyến được góp bởi tất cả các bộ định tuyến trên đường, từ nút nguồn tới nút đích Tuy nhiên, tồn tại vấn đề định tuyến lòng vòng khi thông tin trạng thái định tuyến trong các bộ định tuyến khác nhau và cũng không linh hoạt

• Định tuyến phân cấp: Định tuyến phân cấp là phù hợp nhất cho mạng lớn Cấu trúc của định tuyến bao gồm nhiều cấp Cấp trung tâm bao gồm các bộ định tuyến chính Những bộ định tuyến này được tổ chức thành các nhóm và hình thành nên cấp tiếp theo Mỗi nhóm là các nút cục bộ trong cấp kế tiếp Quá trình xử

lý này có thể đệ quy (recursively), do đó mỗi cấp không có quá nhiều nút (các bộ định tuyến) Thông tin định tuyến được tích hợp tại các nút tiếp giáp với mỗi nhóm Mỗi nút bao gồm thông tin chi tiết về nhóm của nó và thông tin được tích hợp về các nhóm khác PNNI và QOSPF là ví dụ tiêu biểu cho định tuyển phân cấp Như thấy trong hình 1.4: Al, A2, A3 tạo thành một nhóm cục bộ, được tương ứng của nút A Tượng tự: Bl, B2, B3 tạo thành một nhóm; C1 và C2 tạo thành một nhóm

khác, tương ứng với các nút B và c Các nút cục bộ A, B và c tạo thành một nhóm cùng một cấp.

Hình 0.4 - Cấu trúc định tuyến phân cấp

Hình 1.5 Bảng định tuyến của A1 trong cấu trúc hình 1.4, nó chứa thông tin chi tiết về nhóm của nó (nhóm A), trong khi thông tin về nhóm B và nhóm C được tích hợp

Hình 0 5 - Ví dụ về bảng định tuyến phân cấp (của A1)

Có thể nói, ưu điểm lớn nhất của định tuyến phân cấp là sự linh hoạt Do vậy phù hợp với các mạng lớn Thông tin trạng thái định tuyến có thể được tổng hợp để giảm tải trong bộ nhớ và cập nhật định tuyến Tuy nhiên, việc tổng hợp cũng giảm

độ chính xác của thông tin trạng thái định tuyến, do vậy ảnh hưởng đến chất lượng của định tuyến dựa trên QoS Rõ ràng, định tuyến phân cấp cho thấy rất nhiều ưu điểm nổi trội, phù hợp cho việc định tuyến QoS trong các mạng hiện nay Chúng ta

sẽ nghiên cứu sâu hơn về cơ chế và thuật toán trong định tuyến QoS nội miền và liên miền trong chương 2

Ta xem xét một vài phuơng pháp đã đề xuất cho vấn đề MC(0)P (đuợc gọi là vấn đề chọn đường tối ưu hóa đa ràng buộc MC(0)P (Multi-Constrained (Optimal) Path) Một phuơng pháp đơn giản đế giải quyết vấn đề MCP nói chung là thông qua việc kết hợp các tham số Bằng việc kết hợp một tập hợp các phép đo QoS trong một phép đo đơn, nó có thể sử dụng thuật toán tính như Bellman-Ford hoặc Dịịkstra Thuật toán DỊịkstra cần có thông tin về toàn bộ mạng để có thể tìm ra con đường ngắn nhất từ nguồn tới đích Thuật toán Bellman-Ford thì thích hợp cho việc tính toán phân tán chỉ cần thông tin về từ một nút đến nút lân cận Việc sử dụng các thuật toán này, mỗi nút trong mạng sẽ lưu giữ một bảng chọn đường, chỉ ra nút tiếp theo trên con đường ngắn nhất tới đích, và số đo của con đường đó Khi mạng có sự thay đổi, các thông tin cập nhật đuợc chuyến qua các nút lân cận hoặc đuợc quảng

bá trên toàn mạng Từ đó, các nút sẽ tính lại bảng chọn đường của mình Dựa vào các bảng chọn đường trong mỗi nút, chúng ta có thể tạo đuợc cây đường ngắn nhất tới mỗi nút Hình dưới đây mô tả đường dẫn ngắn nhất trong một sơ đồ huớng theo Dijkstra Sơ đồ này có 6 nút và 11 cạnh Đường dẫn ngắn nhất từ nút 1 đến nút 6 là đường đi từ nút 1 đến nút 5 đến nút 4 rồi đến nút 6

Hình 0.6 - Đường dần ngắn nhất trong một sơ đồ có hướng

Vấn đề khó khăn nhất hiện nay cản trở việc thực hiện QoS trên Internet liên quan tới giao thức định tuyến dựa trên QoS Để cho phép định tuyến dựa trên QoS, cần phải triển khai các giao thức mạng nhận biết được QoS Một ví dụ về giao thức PNNI (Private Network - Network Interface) sử dụng định tuyến trạng thái liên kết, trong đó mỗi nút sẽ cố gắng để có được bản đồ topo mạng cơ bản và các tài nguyên

có thế dùng được ―flooding‖ (gửi tin kiểu tràn ngập) Các tài nguyên sẵn có trong một kết nối được thể hiện bằng các giá trị, được gọi là trọng số kết nối Mặc dù đơn giản, đáng tin cậy, nhưng ―flooding‖ kéo theo việc truyền thông không cần thiết và gây ra việc sử dụng không hiệu quả nguồn tài nguyên Đặc biệt, định tuyến dựa trên QoS yêu cầu sự phân bố thường xuyên của các số liệu động và phức tạp Giám sát bất kì sự thay đối nào của internet là việc không đơn giản và thậm chí là không mong muốn bởi vì không phải tất cả sự thay đối đều quan trọng Hai thay đổi hợp lý được xem xét là:

• Thay đối thường xuyên do việc thăm gia hoặc rời khỏi mạng của các nút Trong Internet hiện nay, chỉ loại thay đổi topo mới được xét đến

• Các thay đổi thường xuyên liên quan đặc thù tới sự tiêu hao các nguồn tài nguyên hoặc tới sự truyền tải lưu lượng qua mạng

Việc kết hợp trọng số kết nối với thông tin trạng thái làm phức tạp thêm

―flooding‖ bởi vì, trái với những thay đối thường xuyên, thời gian hội tụ ―flooding‖

có thể lâu hơn tốc độ thay đổi của một vài tham số (như băng thông khả dụng) Sự nhận dạng các đặc tính QoS và sự mô tả đặc điểm của chúng là yếu tố quyết định đến khái niệm giao thức định tuyến nhận biết được QoS Các đặc tính QoS sử dụng

để hỗ trợ các quyết định định tuyến thường bao gồm băng thông, tỷ lệ mất mát, trễ

và jitter Việc lựa chọn các thông số để căn cứ vào đó đưa ra quyết định định tuyến

là một trong những vấn đề chính phải được giải quyết trong chiến lược định tuyến bởi vì nó quyết định đồng thời các đặc tính để cung cấp cho lưu lượng và sự phức tạp của thuật toán tính toán đường dẫn

Hơn nữa, không phải tất cả các chi tiết của toàn bộ mạng internet toàn cầu là cần thiết để xác định đường đi từ A tới B Một mạng con bao gồm A và B có vẻ như

đủ Về mặt này, các thuộc tính của một topo mạng là rất quan trọng Internet cho thấy có một sự phân cấp nhất định, trong khi các mạng Ad-Hoc có thể thay đổi từ các cấu trúc lưới thành các đồ hình ngẫu nhiên Từ đó các đường dẫn phụ thuộc mạnh mẽ vào cấu trúc trọng số kết nối và các thuộc tính của đồ hình, tính động của mạng sẽ phụ thuộc vào các yếu tố này, thậm chí đến mức mà một số chiến lược điều khiển thành công trong một lớp nào đó của đồ hình có thể không làm việc đúng trong đồ hình khác

1.3 Giao thức OSPF và vấn đề mở rộng OSPF cho định tuyến QoS

OSPF [6] là một giao thức với một phạm vi rộng các metric có thể cấu hình Đây là loại giao thức định tuyến yêu cầu mỗi router duy trì ít nhất một bản đồ một phần của mạng Khi một router mới gia nhập vào một mạng, nó tìm hiểu để nhận dạng danh tính của tất cả các router lân cận nó Khi đó, mỗi router sẽ xây dựng một bản tin có chứa các định danh và các giá của các liên kết gắn với router cụ thể Các

bản tin này được gọi là các thông báo trạng thái liên kết (LSA) Bất cứ khi nào trạng thái của một liên kết thay đổi, thì một LSA được flooding trên toàn mạng Tất cả các bộ định tuyến sẽ nhận thông báo sự thay đối này, và tính toán lại các tuyến đường phù hợp Mỗi router sẽ lưu LSA mới nhất từ mọi router trong mạng, topo mạng hiện tại và có thể tính toán các tuyến đường ngắn nhất Các tuyến đường ngắn nhất tới tất cả các nút khác trong mạng được tính toán với các thuật toán Dijkstra Hoạt động cơ bản của thuật toán được minh họa trong hình sau đây Bảng 1.2 là bảng chuyển tiếp kết quả cho Router A

Bảng 0.2 - Bảng chuyên tiêp cho router A

Hình 0.8 - Bắt đầu từ router A và các LSA của nó

Hình 0.9 - Lựa chơn router B, và thêm các LSA của nó

Hình 0.10 - Lựa chọn router E, tuyến đường không tốt hơn tới router C

Hình 0.11 - Lựa chọn router c, và thêm các LSA của nó

Hình 0.12 - Lựa chọn router F, và thêm các LSA của nó

Hình 0.13 - Lựa chọn router G, và thêm các LSA của nó Tuyến đường tốt hơn tới

router D được tìm thấy

Hình 0.14 - Lựa chọn router D

1.3.2 Độ tin cậy trong định tuyến dựa trên QoS

Bây giờ chúng ta tập trung vào các khía cạnh của độ tin cậy liên quan chặt chẽ tới mạng lưới truyền thông và đặc biệt là internet Sự hoạt động tin cậy của hệ thống định tuyến là một phần của chương trình nghị sự định tuyến dựa trên QoS kể

từ những ngày đầu của internet Ví dụ, tiền thân của internet, ARPANET, bị thất bại bởi vì giao thức định tuyến của nó chỉ có thể được chỉnh sửa với sự can thiệp thủ công Dựa trên kinh nghiệm này, cộng đồng Internet quyết định cần có giao thức định tuyến để thực hiện một vài tiêu chuẩn tin cậy cơ bản, như khả năng của giao thức đế ổn định (phục hồi) sau khi tình trạng hoạt động không mong đợi được loại

bỏ (tự ổn định) Bị ảnh hưởng bởi sự thất bại của ARPANET, các giao thức định tuyến cho Internet đã được giữ ở mức rất đơn giản Thậm chí ngày nay và mặc dù thực tế của yêu cầu ứng dụng dựa trên QoS cao, Internet hoạt động mà không có QoS và không có các cơ chế định tuyến QoS Chúng ta kết luận rằng chính yêu cầu

về độ tin cậy và khả năng sống còn của chức năng vận chuyển ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt đã tạo nên một điểm quan trọng trong chương trình nghị sự về định tuyến dựa trên QoS Chúng ta định nghĩa ―Độ tin cậy định tuyến là tính tin cậy của

một hệ thống định tuyến, được đặt trên sự nhất quán của cách hoạt động và hiệu suất của dịch vụ định tuyến nó thực hiện‖ [9]

Để có thể thiết kế các hệ thống định tuyến dựa trên QoS tin cậy, cần thiết phải hiểu rõ hơn các số đo độ tin cậy của định tuyến Các số đo này không cố định, tuy nhiên, chúng bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của mạng đang xem xét Ví dụ, về truyền thông không dây, chúng ta tìm ra một vài các đặc tính quan trọng để chi phối

độ tin cậy định tuyến có thể là:

• Sự di động hệ thống đầu cuối và người sử dụng;

• Bản chất vô tuyến của kênh truyền;

• Các giao thức định tuyến và thuật toán định tuyến Sự thích ứng với tình trạng thay đối của mạng cũng như chi phí phụ phát sinh;

• Các cấu trúc hạ tầng cơ sở hoặc các hệ thống định tuyến lai ghép;

• Những hạn chế về các tài nguyên năng lượng;

• Khả năng không cân bằng của các nút trong các mạng phức tạp;

• Sự hợp tác và không hợp tác của các nút mạng trong mạng ad hoc;

• Các tác động bên ngoài, như là điều kiện môi trường

Để đạt được độ tin cậy cao, đã có nhiều sơ đồ định tuyến dựa trên QoS khác nhau được đề xuất (cho cả đơn đích và đa đích) Tuy nhiên, phần lớn các sơ đồ này tập trung vào một vấn đề cụ thể với các thuật toán dựa trên những giả thiết khác nhau về trạng thái mạng và vì vậy không thể làm việc cùng nhau Từ đó ta thấy rõ ràng rằng cần có một khuôn khổ làm việc chung nhất với hai mức định tuyến dựa trên QoS nội miền [4] và định tuyến dựa trên QoS liên miền [14] Mô hình phân cấp này tương thích với các cấp định tuyến của Internet ngày nay (vốn có quan niệm Hệ thống tự trị) Hình 1.15 mô tả cấu trúc định tuyến hai mức Định tuyến giữa các nút

A, B và C thuộc về định tuyến nội miền, trong khi giữa nút B với E hoặc F thuộc về định tuyến liên miền

Định tuyến nội miền sử dụng định tuyến trong một mạng đơn hoặc một miền quản trị Mỗi miền quản trị tự do lựa chọn giao thức định tuyến nội miền sử dụng trong mạng của mình Hai loại giao thức định tuyến nội miền có thể dùng được hiện nay là giao thức định tuyến theo trạng thái liên kết và giao thức định tuyến theo vecto khoảng cách Giao thức trạng thái liên kết phân phối topo toàn mạng tới tất cả các router trong miền, và quyết định cách thức lựa chọn đường dẫn tốt nhất để đạt đến bất kỳ đích đến nào bên trong miền này, dựa trên thuật toán đường dẫn ngắn nhất của Dijkstra Ngoài ra, trong giao thức định tuyến theo vector khoảng cách, các router thiếu topo toàn mạng và lựa chọn đường dần tốt nhất là dựa trên thuật toán định tuyến Bellman-Ford Hiện nay, hầu hết các triển khai mở rộng của giao thức định tuyến nội miền là giao thức trạng thái liên kết OSPF.

Hình 1.15 Định tuyến nội miền so với định tuyến liên miền

Vượt qua ranh giới miền quản trị, một giao thức định tuyến liên miền [14] được sử dụng để trao đổi thông tin, và để lựa chọn đường dẫn tốt nhất để đạt đến bất

kỳ đích nào theo những nguyên tắc cụ thể và nhu cầu của mỗi miền Ngược lại với

Định tuyến nội miền Định tuyến liên miền

trường hợp nội miền, với định tuyến liên miền có một giao thức định tuyến chuẩn thực tế, giao thức cổng đường biên BGP Phiên bản hiện tại của BGP là một giao thức định tuyến theo vector, nó chỉ nhận biết về các mối liên kết giữa các miền quản trị khác nhau Nói cách khác, BGP không quản lý hoặc trao đối bất kỳ loại thông tin nội miền nào, do đó, tình trạng nội mạng trong bất kỳ miền quản trị nào cũng không

bị tiết lộ bởi BGP Tóm lại, trong khi định tuyến nội miền quản lý việc lựa chọn đường đi tốt nhất trong một miền quản trị duy nhất, thì định tuyến liên miền lại giữ cho Internet như một đơn vị duy nhất

BGP hiện tại cung cấp một phản ứng lại chậm và giao thức định tuyến có giới hạn, mà không đủ để xử lý hầu hết các nhu cầu xuất hiện cho các chức năng liên miền Trong số những yêu cầu liên miền này không có các cơ chế hiệu quả về giá và hiệu quả cao để cung cấp các mức độ khác nhau của QoS end-to-end, trong

đó giao thức định tuyến liên miền thì lại có tầm quan trọng tuyệt đối Nói cách khác, phiên bản hiện tại của BGP thiếu năng lực định tuyến dựa trên QoS, cái mà đã được công nhận như một nhu cầu mạnh mẽ của nhóm đặc trách kỹ thuật internet (IETF)

từ giữa năm 1998 Do đó, nhiều nỗ lực đang được thực hiện để giải quyết vấn đề định tuyến dựa trên QoS ở mức độ liên miền trong các mạng IP

Như vậy, cả ở mức độ nội miền và ở mức độ liên miền đều cần giải quyết các vấn đề định tuyến dựa trên QoS Luận văn chọn phương án sử dụng một giao thức định tuyến cơ bản là OSPF, từ đó mở rộng các thuật toán và các cơ chế định tuyến liên quan để đảm bảo QoS Một vấn đề cần quan tâm nhất là vấn để tăng tải

do truyền thông tin định tuyến, nhất là khi chọn đường đảm bảo các ràng buộc về QoS Luận văn chọn đi sâu phân tích một vài cơ chế liên quan đến lan tràn thông tin

định tuyến bằng ―flooding‖ Điều này sẽ được trình bày ở chương 2

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Chương 1 đã giúp chúng ta có cái nhìn tổng quát về định tuyến dựa trên QoS, chỉ ra các vấn đề cơ bản của định tuyến đảm bảo QoS như metric, thuật toán Một vấn đề nữa được đưa ra trong chương 1 là giao thức OSPF và nghiên cứu về OSPF

mở rộng Chương 2 sẽ trình bày về định tuyến dựa trên QoS trong mạng có phân

cấp định tuyến-mạng phố biến hiện nay (định tuyến QoS nội miền và liên miền) và phân tích cơ chế trao đổi thông tin định tuyến

CHƯƠNG 2 - CÁC CƠ CHẾ ĐỊNH TUYẾN QoS

Định tuyến Internet có thế được chia thành 2 phần riêng biệt, mỗi phần có một đặc điểm và mục đích rất khác nhau, cụ thể là định tuyến nội miền và định tuyến liên miền Chương 2 trình bày về định tuyến QoS nội miền và liên miền, sau

đó tổng kết về các cơ chế cơ bản nhất trong định tuyến QoS Nội dung của chương này phục vụ cho các trình bày về mở rộng thuật toán định tuyến OSPF cho QoS ở Chương 3

2.1 Định tuyến QoS nội miền

Đối với định tuyến dựa trên QoS nội miền, người ta chủ động bố trí nhiều sơ

đồ vói các thuật toán khác nhau trong cùng một miền Người quản lý có quyền lựa chọn loại định tuyến dựa trên QoS bất kỳ trong miền này, độc lập với định tuyến dựa trên QoS trong các miền khác Ớ mức này người ta khuyến khích sự đa dạng các dịch vụ định tuyến dựa trên QoS từ việc tính toán đường động dựa trên thông tin trạng thái cho tới tính các đường dự trữ hỗ trợ một số ít các lớp dịch vụ

Tuy nhiên, định tuyến dựa trên QoS nội miền yêu cầu một vài đặc điểm chung, như được liệt kê dưới đây:

• Sơ đồ định tuyến phải tìm đường đáp ứng yêu cầu QoS của luồng lưu lượng, nếu tồn tại một luồng lưu lượng và ngược lại

• Để tối ưu hoá việc sử dụng tài nguyên, sơ đồ định tuyến phải có thông báo đường bị ngắt mỗi khi đường bị ảnh hưởng bởi những thay đổi topo trong mạng

• Sơ đồ định tuyến phải hỗ trợ các luồng lưu lượng khi những luồng này không có các yêu cầu giành trước tài nguyên Nói cách khác, các giao thức và ứng dụng cố gắng tối đa hiện nay không cần phải thay đổi trong miền định tuyến dựa trên QoS

• Sơ đồ định tuyến được mong đợi là phải hỗ trợ định tuyến dựa trên QoS đa đích

• Sơ đồ định tuyến phải có quyền kiểm soát cho phép ở mức cao, để hạn chế sự sử dụng tài nguyên tổng thể của các luồng riêng

Trong phần này ta tập trung vào định tuyến dựa trên QoS nội miền, còn định tuyến dựa trên QoS liên miền sẽ được đề cập trong phần kế tiếp Các vấn đề chính khi lựa chọn một đường dẫn, sự phức tạp, độ chính xác của thông tin định tuyến và

sự ổn định định tuyến được phân tích dưới đây Sau đó, định tuyến đa đích, định tuyến liên kết rời và định tuyến dựa trên dự báo cũng được trình bày ở phần cuối

Các phương pháp được sử dụng bởi các thuật toán định tuyến dựa trên QoS tính toán đường dẫn đa ràng buộc thì thường theo một thỏa hiệp giữa sự tối ưu của đường dẫn và độ phức tạp của thuật toán Các nghiên cứu của các thuật toán tính toán đường dẫn nhằm cải thiện độ phức tạp và chất lượng của đường dẫn vẫn còn là một vấn đề mở trong lĩnh vực định tuyến dựa trên QoS

2.1.1.1 Quá tải trong thuật toán định tuyến dựa trên QoS động

Mục tiêu của giao thức định tuyến dựa trên QoS có thể bị xem xét bởi việc

áp đặt thêm tải trong mạng Tải trọng được giới thiệu bởi các phương pháp định tuyến dựa trên QoS bao gồm:

• Quá tải xử lý do việc tính toán thường xuyên hơn và phức tạp hơn

• Việc lưu trữ bổ sung cần thiết để hỗ trợ các giao thức định tuyến dựa trên QoS

• Các quá tải truyền thông gây ra bởi sự gia tăng lượng thông tin định tuyến được trao đổi trong mạng

Cần lưu ý rằng tất cả những yếu tố này tác động chặt chẽ tới khả năng mở rộng mạng, tức là khả năng mở rộng trở thành một vấn đề phải được giải quyết bởi bất kỳ đề xuất định tuyến dựa trên QoS nào

Việc quá tải xử lý gây ra bởi định tuyến dựa trên QoS là do 2 yếu tố chính,

cụ thể là, sự phức tạp của thuật toán tính toán đường dẫn và tần suất tính toán đường dẫn Vì số các ràng buộc cần được thỏa mãn bởi các thuật toán định tuyến

ngày càng tăng lên Độ phức tạp của thuật toán tính toán đường dẫn trở lên cao hơn, đòi hỏi khắt khe hơn trong việc xử lý các nguồn tài nguyên Sau đó, trong trường hợp của phương pháp tính toán trước đường dẫn, các đường dẫn đảm bảo QoS đã cài đặt bảng định tuyến phải được cập nhật tình trạng mạng, và trong trường hợp tính toán đường dẫn theo yêu cầu, các đường dẫn phải được tính toán lúc tiếp nhận yêu cầu kết nối Trong bất kỳ cách định tuyến nào, thuật toán tính toán đường dẫn được sử dụng thường xuyên hơn trong các giao thức định tuyến truyền thống, do đó đòi hỏi xử lý các nguồn tài nguyên nhiều hơn Mặc dù hầu hết các đề xuất định tuyến dựa trên QoS sử dụng tính toán đường dẫn theo yêu cầu, cách định tuyến này

có hai nhược điểm Thứ nhất, nó gây ra trễ trước khi bắt đầu chuyển tiếp lưu lượng Thứ hai, nó đòi hỏi phải áp dụng các thuật toán tính toán đường đi cho mỗi yêu cầu kết nối, do đó đưa thêm quá tải xử lý trên các bộ định tuyến, đặc biệt là khi tỷ lệ đến của các yêu cầu kết nối không cao Tính toán trước đường dẫn là cách tiếp cận khác

để xử lý các vấn đề của quá tải xử lý kết hợp với tính toán đường dẫn theo yêu cầu

do tác dụng phụ của sự thiếu chính xác cuối cùng của quyết định định tuyến [7]-[8]

Định tuyến dựa trên ỌoS làm tăng nhu cầu lưu trữ trong bộ định tuyến do sự tăng lượng thông tin trạng thái mạng và do kích thước của các bảng định tuyến dựa trên QoS Thông tin được lưu giữ trong các bộ định tuyến bao gồm các metric mô tả trạng thái của các liên kết trong mạng như trễ, tỷ lệ mất mát và sử dụng, và dữ liệu thống kê về lưu lượng kết hợp được chuyển tiếp thông qua bộ định tuyến Kích thước của các bảng định tuyến dựa trên QoS được xác định bởi loại lưu lượng sử dụng, và có thế thay đối từ chỉ một đường vào cho mỗi đích đến trong mạng Mặc

dù định tuyến dựa trên QoS cần nhiều tài nguyên hơn, nhưng dung lượng bộ nhớ của các bộ định tuyến hiện tại hoàn toàn đủ khả năng đáp ứng, do đó nó là một hạn chế nghiêm trọng cho việc triển khai các giải pháp định tuyến dựa trên QoS trong mạng

Trong trường hợp các giao thức trạng thái liên kết, quá tải truyền thông là do tải của quá trình ―flooding‘" sử dụng trong việc trao đổi thông tin trạng thái liên kết giữa các bộ định tuyến trong mạng Do các bộ định tuyến cần phải cập nhật trạng