Nghiên cứu các giải pháp giảm tắc nghẽn mạng Internet

Nghiên cứu các giải pháp giảm tắc nghẽn mạng Internet” là đề tài mà bọn em quan tâm tìm hiểu. Mục đích nghiên cứu Với mục tiêu chung là nghiên cứu các giải pháp giảm tắc nghẽn mạng Internet. Bài tập lớn sẽ tìm hiểu nghiên cứu : Tình hình phát triển về mạng Internet Việt Nam, các nguyên nhân dẫn đên tắc nghẽn mạng, các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ, các phương pháp , các kĩ thuật điều khiển chống tắc nghẽn. Định hướng giải pháp công nghệ giải quyết tắc nghẽn trong tương lai và vấn đề kiểm soát chất lượng dịch vụ truy nhập Internet của các nhà cung cấp dịch vụ. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu và phân tích mạng Internet Việt Nam, từ đó phân tích các giải pháp cấu trúc mạng lưới kết nối nhằm nâng cao hiệu năng toàn mạng , tránh lãng phí tài nguyên hạn chế tắc nghẽn. Nghiên cứu các giải pháp , các kĩ thuật mới nhằm kiểm soát lưu lượng, cân bằng tải chống tắc nghẽn , nâng cao chất lượng dịch vụ mạng. Nghiên cứu các giải pháp giảm tắc nghẽn cho mạng Internet Việt Nam và tìm hiểu giải pháp thiết lập hệ thống trung chuyển Internet Quốc tế của Việt Nam. Định hướng giải pháp công nghệ giải quyết tắc nghẽn trong tương lai , và kiểm soát chất lượng dịch vụ truy nhập Internet. Phương pháp nghiên cứu Bài tập nghiên cứu cơ bản và tổng hợp các phương pháp về điều khiển lưu lượng, cân bằng tải, hạn chế tắc nghẽn mạng. Phương pháp khảo sát thực tế được sử dụng cho việc nghiên cứu phân tích hiện trạng mạng Internet Việt Nam và hệ thống trung chuyển Internet Quốc tế của Việt Nam. Nội dung: Bài tập lớn tìm hiểu gồm 4 chương sau: Chương 1: Giới thiệu chung về tình hình phát triên rmạng Internet Việt Nam, các ứng dụng và chất lượng dịch vụ mạng Internet , đưa ra các nguyên nhân dẫn đến tắc nghẽn Internet. Chương 2: Tìm hiểu nguyên lý chung , cách phân loại và đưa ra các tiêu chí đánh giá phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn. Chương 3: Trình bày một số phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn Chương 4: Trình bày về giải pháp giảm tắc nghẽn cho mạng Internet Việt Nam, trong đó tìm hiểu giải pháp thiết lập hệ thống trung chuyển Internet Quốc tế của Việt Nam. Định hướng gảii pháp công nghệ giải quyết tắc nghẽn trong tương lai, và vấn đề kiểm soát chất lượng dịch vụ truy nhập Internet ADSL.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN &

MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

MÔN : AN TOÀN BẢO MẬT THÔNG TIN

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN: HÀ ANH DŨNG

NGUYỄN KHÁNH DUY NGUYỄN ANH TÚ GIÁO VIÊN: PHẠM VĂN HÁCH

HÀ NỘI 10,2016

Mở đầu

Một trong những thành công lớn nhất của nhân loại về khoa học công nghệtrong những năm cuối thể kỷ XX là công nghệ thông tin và truyền thông.Những ứng dụng của công nghệ thông tin và truyền thông đã đi vào mọi khíacạnh của cuộc sống đã giúp con người học hỏi được nhiều lĩnh vực khác nhaucủa văn hóa , giáo dục khoa học công nghệ , kĩ thuật , kinh tế thị trường , xu thếhội nhập và tiếp cận nền kinh tế tri thức Xu hướng công nghệ truyền thông hiệnnay đang xóa dần ranh giới công nghệ thông tin và viễn thông

Một trong những mạng tiên tiến đang được ứng dụng là mạng Internet với mụctiêu mọi lúc, mọi nơi, và bằng mọi phương tiện Mạng internet hiện nay ngàycàng đa phong phú đòi hỏi nhiều mức độ chất lượng khác nhau Ngoài các dịch

vụ dữ liệu truyền thống được cung cấp qua mạng Internet, ngày càng có thêmnhiều dịch vụ mới được phát triển như : Các dịch vụ thoại , video , đa phươngtiện…… Các nhà cung cấp dịch vụ Internet luôn đứng trước thử thách làm sao

để làm vừa lòng khách hàng của mình với các loại dịch vụ khác nhau , chấtlượng dịch vụ đảm bảo

Tuy nhiên , tài nguyên mạng đặc biệt là băng thông có hạn, Quá tải mạng vàhiện tượng tắc nghẹn là nguy cơ xảy ra thường xuyên

Một thách thức mới nảy sinh khi tích hợp các loại dịch vụ mới vào Internet là

sự biến đổi khó lường của lưu lượng Mạng càng phát triển , dịch vụ gia tăngcàng nhanh , các dịch vụ mới càng nhiều , số lượng người sử dụng càng lớn thìlưu lượng mạng càng có sự tăng giảm đột biến dẫn đến nguy cơ quá tải và tắcnghẽn càng tăng

Vậy hạn chế tắc nghẽn cũng là nhằm nâng cao hiệu năng mạng và chất lượngdịch vụ Ngược lại, giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ cũng góp phần giảm

thiểu tắc nghẽn Vì vậy “Nghiên cứu các giải pháp giảm tắc nghẽn mạng

Internet” là đề tài mà bọn em quan tâm tìm hiểu.

Mục đích nghiên cứu

Với mục tiêu chung là nghiên cứu các giải pháp giảm tắc nghẽn mạng Internet.Bài tập lớn sẽ tìm hiểu nghiên cứu : Tình hình phát triển về mạng Internet ViệtNam, các nguyên nhân dẫn đên tắc nghẽn mạng, các giải pháp đảm bảo chấtlượng dịch vụ, các phương pháp , các kĩ thuật điều khiển chống tắc nghẽn Địnhhướng giải pháp công nghệ giải quyết tắc nghẽn trong tương lai và vấn đề kiểmsoát chất lượng dịch vụ truy nhập Internet của các nhà cung cấp dịch vụ

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu và phân tích mạng Internet Việt Nam, từ đó phân tích các giải phápcấu trúc mạng lưới kết nối nhằm nâng cao hiệu năng toàn mạng , tránh lãng phítài nguyên hạn chế tắc nghẽn

Nghiên cứu các giải pháp , các kĩ thuật mới nhằm kiểm soát lưu lượng, cân bằngtải chống tắc nghẽn , nâng cao chất lượng dịch vụ mạng

Nghiên cứu các giải pháp giảm tắc nghẽn cho mạng Internet Việt Nam và tìmhiểu giải pháp thiết lập hệ thống trung chuyển Internet Quốc tế của Việt Nam.Định hướng giải pháp công nghệ giải quyết tắc nghẽn trong tương lai , và kiểmsoát chất lượng dịch vụ truy nhập Internet

Phương pháp nghiên cứu

Bài tập nghiên cứu cơ bản và tổng hợp các phương pháp về điều khiển lưulượng, cân bằng tải, hạn chế tắc nghẽn mạng Phương pháp khảo sát thực tếđược sử dụng cho việc nghiên cứu phân tích hiện trạng mạng Internet Việt Nam

và hệ thống trung chuyển Internet Quốc tế của Việt Nam

Nội dung:

Bài tập lớn tìm hiểu gồm 4 chương sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về tình hình phát triên rmạng Internet Việt Nam,

các ứng dụng và chất lượng dịch vụ mạng Internet , đưa ra các nguyên nhân dẫnđến tắc nghẽn Internet

Chương 2: Tìm hiểu nguyên lý chung , cách phân loại và đưa ra các tiêu chí

đánh giá phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn

Chương 3: Trình bày một số phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn

Chương 4: Trình bày về giải pháp giảm tắc nghẽn cho mạng Internet Việt Nam,

trong đó tìm hiểu giải pháp thiết lập hệ thống trung chuyển Internet Quốc tế củaViệt Nam Định hướng gảii pháp công nghệ giải quyết tắc nghẽn trong tươnglai, và vấn đề kiểm soát chất lượng dịch vụ truy nhập Internet ADSL

Chương 1: Giới thiệu

I Tình hình phát triển về mạng Internet ở Việt Nam

Thời gian gần đây, Internet ở Việt Nam bùng nổ mạnh mẽ Theo thống kê sốliệu Internet quốc tế (internetworldstats), tính đến hết tháng 6/2015, Việt Nam đã có 45,5 triệu người dùng tức khoảng 48% dân số (số liệu bao gồm người truy cập ở các phương tiện như PC, laptop, điện thoại …) Với con số này Việt Nam xếp thứ 6 trong khu vực châu Á về số lượng người dùng

Hình 1 Biểu đồ các quốc gia về số lượng người dùng internet

Mức thâm nhập internet của Việt Nam cũng cao hơn mức trung bình của

Hình 2 Biểu đồ mức thâm nhập Internet của khu vực Châu Á và Thế

giới

Các doanh nghiệp cung cấp hạ tầng Internet (ISP) đã bắt đầu đẩy mạnh sự

đa dạng hóa dịch vụ khi số lượng khách hang bắt đầu bùng nổ, nhu cầu sử dụng gia tang Hiện tại hạ tầng mạng Internet Việt Nam đã có thể so sánh dcvới các nước trong khu vực và thế giới Chất lượng được cải thiện thông quaviệc nâng cấp cơ sở hạ tầng mạng từ lõi cho đến các router biên, mạng truy nhập cải thiện băng thông và an toàn mạng

1 Các ứng dụng và các dịch vụ mạng internet

Ngày nay, Internet đã trở thành công nghệ tiêu chuẩn, kết nối mở các hệ thống tính toán và các mạng thông tin máy tính không đồng nhất, ở cả diện rộng (mạng diện rộng WAN) và diện hẹp (mạng cục bộ LAN) Việc phát triển bùng nổ của các mạng Internet/Intranet, việc cung cấp các dịch vụ thông tin về kinh tế, văn hoá, xã hội ngày càng phong phú Các ứng dụng trên mạng có đặc tính lưu lượng và yêu cầu về chất lượng dịch vụ khác nhau, cụ thể như: Các ứng dụng thời gian thực như thoại Các ứng dụng truyền hình (IPTV) Các ứng dụng như e-mail Các ứng dụng dữ liệu khác (ví dụ tương tác máy chủ) Nhiều dịch vụ mới như thương mại điện tử, e-banking, giao dịch chứng khoán trực tuyến có yêu cầu tương tác thời gian thực

Hình 3 Các ứng dụng trên mạng Internet

2 Chất lượng dịch vụ và hiệu năng mạng

Chất lượng dịch vụ (QoS) là một thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Hiểu một cách đơn giản QoS là các cơ chế, công

cụ 7 đảm bảo cho các mức dịch vụ khác nhau thỏa mãn các tiêu chuẩn về băng thông và thời gian trễ cần thiết cho một ứng dụng đặc biệt nào đó

Hình 4 Chất lượng dịch vụ

2.1 Băng thông (Bandwidth)

Thuật ngữ băng thông được sử dụng để chỉ khả năng truyền một lượng dữ liệu của một giao thức, phương tiện hoặc của một kết nối Có thể cách tốt nhất để giải quyết vấn đề băng thông là dành càng nhiều băng thông cho cáckết nối càng tốt

Hình 5 Băng thông

2.2 Độ trễ (delay)

Tất cả các gói tin trong mạng đều trải qua một vài khoảng trễ nhất định trước khi tới được đích, hay nói cách khác trễ có rất nhiều loại, ở đây chỉ nêu ra một số loại cơ bản sau: Trễ lan truyền, trễ mạng (Network Delay), trễ

xử lý, trễ hàng đợi, trễ lan truyền

2.3 Biến động trễ (Delay Jitter và Delay Wander)

Biến động trễ là sự khác biệt về trễ của các gói khác nhau cùng trong một luồng lưu lương Biến động trễ có tần số cao được gọi là Jitter trong khi biếnđộng trễ có tần số thấp gọi là Wander.

2.4 Tỷ lệ mất gói (Packet Loss Rate):

Tỉ lệ mất gói chỉ ra số lượng gói bị mất trong mạng trong suốt quá trình truyền dẫn Mất gói do hai nguyên nhân chính: gói bị loại bỏ khi mạng bị tắc nghẽn nghiêm trọng hoặc gói bị mất khi đường kết nối bị lỗi

3 Tắc nghẽn và các nguyên nhân dẫn đến tắc nghẽn Internet

Có thể nói mạng kết nối Internet Việt Nam đã có sự bùng phát mạnh mẽ những năm gần đây cả về quy mô, hạ tầng mạng lưới cũng như chất lượng dịch vụ Tuy nhiên, với sự tăng lên rất nhanh số lượng người dùng, cùng nhucầu ngày càng đa dạng về các loại dịch vụ và dữ liệu truyền tải trên mạng, khiến cho mạng kết nối Internet đang phải đối mặt với nhiều thách thức mới

3.1 Vấn đề tắc nghẽn mạng.

 Tắc nghẽn nói chung

Một trong những vấn đề nổi cộm là hiện tượng tắc nghẽn trong những giờ cao điểm Tắc nghẽn Internet có thể xảy ra ở bất cứ nút cổ chai nào, có thể trên mạng truy nhập, trên mạng trục, mạng vùng, hay trên mạng kết nối Tài nguyên của mạng có giới hạn trong khi nhu cầu truyền tải dữ liệu ngày càng tăng Chính vì vậy hiện tượng tắc nghẽn mạng là khó tránh khỏi, đòi hỏi cần

có thêm các giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu tắc nghẽn, nâng cao chất lượng mạng kết nối Internet

Hình 6 Tắc nghẽn mạng

 Tắc nghẽn trong mạng toàn IP

Tắc nghẽn là một hiện tượng rất quen thuộc trên mạng, mà nguyên nhân nói chung là do tài nguyên mạng giới hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin của con người là không có giới hạn Thông thường, nút mạng được thiết kế với một

bộ đệm lưu trữ có hạn Nếu tình trạng nghẽn mạng kéo đủ dài, bộ đệm bị tràn, các gói sẽ bị mất hoặc trễ quá thời gian cho phép Nếu một gói bị mất trên mạngthì tại thời điểm ấy các tài nguyên mạng mà gói đó đã sử dụng cũng bị mất theo

 Nguyên nhân xảy ra tắc nghẽn

 Hạn chế của băng thông truyền dẫn

Nhu cầu băng thông cao của các dịch vụ đa phương tiện và các loại hình dịch vụmới: dữ liệu, âm thanh và hình ảnh được tích hợp truyền trên mạng gây ra tắc nghẽn tại các đường truyền dẫn băng thông nhỏ 1.4.2.2 Nghẽn do đường

truyền vô tuyến

Các hiệu ứng môi trường như di động, che chắn, pha đinh, … gây ra mất gói và ảnh hưởng đến tắc nghẽn mạng Số lượng trạm ngày càng tăng cộng với sự phát triển của đô thị ngày càng rõ rệt dẫn đến hiện tượng che chắn và pha đinh giữa các nhà cung cấp dịch vụ dẫn đến hiện tượng nghẽn mạng

 Tràn bộ đệm

Cấu trúc mạng Viễn thông và Internet được cấu thành từ một hệ thống các thiết

bị từ: Các thiết bị định tuyến, các thiết bị chuyển mạch, hệ thống cahing, hệ thống Acess Server…v.v Trên mỗi dòng thiết bị đều có một bộ đệm được tích hợp nhằm gia tăng khả năng truy xuất của thiết bị, nhưng kích thước bộ đệm là

có hạn, do vậy khi lưu lượng tăng đột ngột sẽ dẫn đến hiện tượng tràn bộ đệm Điều này sẽ dẫn đến nghẽn mạng

Hình 7 Báo lỗi tràn bộ đệm

 Nghẽn cổ chai

Tại thời điểm nối từ các mạng tốc độ thấp vào mạng tốc độ cao Đây là một trong những đặc điểm nổi bật của môi trường hỗn tạp Internet Khi băng thông tại mỗi kết nối đầu ra của đoạn mạng nhỏ hơn băng thông của các kết nối bên trong có lưu lượng ra ngoài lớn sẽ dẫn đến tình trạng nghẽn cổ chai tại điểm ra

 Sự thay đổi đột biến của lưu lượng

Thông thường, các ứng dụng mới trong mạng Internet được thiết kế với nhu cầulưu lượng truyền tải lớn (đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến cơ sở dữ liễu phân tán, hay VoIP, Video, IPTV, …) Mặt khác, những ứng dụng đa phương tiện

có đặc điểm là lưu lượng biến đổi động khó dự đoán trước được

 Tính biến động của lưu lượng

Đây là một đặc tính mới của mạng Internet so với mạng truyền thống Các nút mạng có thể dịch chuyển làm hình trạng mạng thay đổi gây ra những biến đổi

về phân chia lưu lượng trên mạng

Chương 2: Tìm hiểu nguyên lý chung, cách phân loại và đưa ra các tiêu chí đánh giá phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn.

2.1.Nguyên lý chung điều khiển chống tắc nghẽn

Mạng viễn thông của các nước trên thế giới cũng như Việt Nam đang chuyểnsang mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network) và tới IP hóa (all IP) vớimục tiêu : Mọi lúc- mọi nơi và bằng mọi phương tiện Nhu cầu về các dịch vụmạng hiện nay ngày càng đa dạng, phong phú và đòi hỏi nhiều mức độ chấtlượng dịch vụ khác nhau Chính vì vậy hiện tượng tắc nghẽn mạng là khó tránh

khỏi Để giải quyết vấn đề này có hai hướng xử lý tổng quát nhất, đó là :Tài nguyên mạng và điều khiển để chống tắc nghẽn mạng.

2.2 Phân loại các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn

Điều khiển chống tắc nghẽn vòng hở (open-loop congestion control) là sự kếthợp của điều khiển tiếp nhận, kiểm soát

Điều khiển chống tắc nghẽn vòng kín (close-loop congestion control) là dựatrên trạng thái của mạng với giám sát tắc nghẽn và điều khiển lưu lượng dựatrên thông tin phản hồi

Hình 8 Mô hình điều khiển mạng 2.3 Tính hiệu quả

Tính hiệu quả được định nghĩa là tỉ số giữa tổng tài nguyên phân phối cho cácứng dụng và tổng tài nguyên mong muốn tại điểm Knee của mạng, nghĩa làtrước thời điểm mạng xảy ra bão hòa Tính hiệu quả chỉ có liên quan đến tổnglượng phân phối và do đó 2 lượng phân phối khác nhau có thể cả hai đều hiệuquả miễn là tổng lượng phân phối là gần đến “goal” Sự phân bố của tổng lượngphân phối giữa các người dùng được đo bởi chỉ tiêu bình đẳng

2.4 Tính bình đẳng

Khi nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên, tất cả người dùng trong cùng mộtlớp dịch vụ phải có chia sẻ về tài nguyên Thường thì sự phân bổ không bằngnhau một cách chính xác, mức độ bình đẳng được đo bởi chỉ số bình đẳng

2.5 Tính hội tụ

Sự hội tụ được đánh giá bởi thời gian cần để hệ thống đạt đến trạng thái mongmuốn từ một trạng thái xuất phát bất kỳ Một cách lý tưởng, hệ thống đạt tớitrạng thái đích nhanh và có biên độ dao động rất nhỏ xung quanh nó

2.6 Thời gian đáp ứng nhanh

Thuật toán phải nhanh chóng phát hiện được tắc nghẽn và thời gian kể từ khiphát hiện tắc nghẽn đến khi có tác động của điều khiển chống tắc nghẽn phảicàng nhanh càng tốt

Trong thực tế, tác động của điều khiển không thể đưa hệ thống đến trạng thái mong muốn ngay lập tức Vì vậy, các thuật toán điều khiển chống tắcnghẽn phải thiết kế sao cho tác động điều khiển có độ mịn cần thiết, tránh đưa

hệ thống vào trạng thái mất ổn định thêm

2.8 Tính phân tán

Đây là điều cần thiết bởi vì một mô hình tập trung đòi hỏi thông tin đầy đủ vềtrạng thái của mạng cũng như các luồng riêng lẻ, và điều này là không thểkhông có đối với mạng cỡ lớn Chẳng hạn, chúng ta muốn biết về các nhu cầu

cá nhân hay toàn bộ Thông tin này có thể hữu dụng tại nguồn tài nguyên Tuynhiên, truyền đạt thông tin này cho nhiều người dùng làm chúng ta quan tâmđến mào đầu (overhead), đặc biệt khi một người dùng có thể dùng vài nguồn tàinguyên (resource) tại cùng một thời điểm

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN MẠNG

Trong chương này báo cáo sẽ tổng hợp lại một số phương pháp điều khiển tắcnghẽn điển hình nhất, phân tích đánh giá chúng dựa trên cơ sở những tiêu chí đã

đề xuất trong chương 2 Đó là các phương pháp điều khiển tắc nghẽn truyềnthống như DECbit và một vài phương pháp mới hơn như EWA, ETCP, FBA-TCP, QS- TCP để cải thiện hiệu suất hoạt động mạng Trong đó đặc biệt đi sâuvào phương pháp điều khiển tắc nghẽn sử dụng FAST TCP phổ biến hiện nay(đặc biệt là trong mạng Internet) là ứng cử viên cho mạng dựa trên cơ sở toàn

Hình 9 Biểu đồ mô hình DECbit

3.1.2 Điều khiển chống nghẽn mạng TCP

TCP (Transmission Control Protocol) là giao thức phổ biến nhất hiện nay chotruyền dữ liệu tin cậy trên Internet Ngoài điều khiển chống tắc nghẽn ra, nócòn thực hiện chức năng khôi phục dữ liệu đã mất và quản lý kết nối Điềukhiển chống tắc nghẽn trong TCP thuộc loại điều khiển vòng kín phản hồi ẩn,

TCP dựa vào mất gói để phát hiện tắc nghẽn Nó có 2 cơ cấu để phát hiện ramất gói Đầu tiên, khi gói được gởi, phía gởi TCP khởi tạo bộ định thời Nếu bộđịnh thời hết hiệu lực trước khi gói được xác nhận, TCP xem như gói bị mất.Thứ 2, khi phía nhận TCP nhận gói không đúng trật tự Nó gởi xác nhận ACKcho gói mà nó nhận gần nhất