2. Đánh dấu (Marking)
2.3 Expedited Forwarding (EF) PHB và giá trị DSCP
RFC 2598 định nghĩa trạng thái chuyển tiếp nhanh – Expedited Forwarding (EF) PHB và thuộc mức thứ tự DiffServ thứ 5 (class 5 trong bảng 3.1.1). RFC mô tả hai hành động đơn giản của trạng thái này:
- Đưa vào hàng đợi các gói tin EF sao cho nó có thể được giải phóng nhanh, độ delay thấp.
- Áp đặt băng thông cho các gói EF sao cho các gói tin này không làm tốn băng thông trên kết nối hoặc làm ảnh hưởng các hàng đợi khác.
Giá trị DSCP định nghĩa cho EF có giá trị nhị phân là 101110 (giá trị thập phân là 46).
Từ phần lý thuyết nêu ở trên có được bảng thống kê các giá trị IP Precedence, DSCP, AF, CF (các giá trị này do RFC quy định):
Giá trị thập phân Giá trị nhị phân Tên RFC
Precedence 0 000 Routine 791
Precedence 1 001 Priority 791
Precedence 2 010 Immediate 791
Precedence 3 011 Flash 791
Precedence 3 100 Flash override 791
Precedence 5 101 Critic 791
Precedence 6 110 Internetwork control 791
Precedence 7 111 Network control 791
DSCP 0 000000 Best-Effort (default) 2475
DSCP 16 010000 CS2 2475 DSCP 24 011000 CS3 2475 DSCP 32 100000 CS4 2475 DSCP 40 101000 CS5 2475 DSCP 48 110000 CS6 2475 DSCP 56 111000 CS7 2475 DSCP 10 001010 AF11 2597 DSCP 12 001100 AF12 2597 DSCP 14 001110 AF13 2597 DSCP 18 010010 AF21 2597 DSCP 20 010100 AF22 2597 DSCP 22 010100 AF23 2597 DSCP 26 011010 AF31 2597 DSCP 28 011100 AF32 2597
DSCP 30 011110 AF33 2597
DSCP 34 100010 AF41 2597
DSCP 36 100100 AF42 2597
DSCP 38 100110 AF43 2597
DSCP 46 101110 EF 2598
Bảng thống kê các giá trị IP Precedence, DSCP, AF, CF
[Tham khảo: IP Telephony Self-Study Cisco QOS Exam Certification Guide] 2.4 LAN Class of Service – CoS
Nhiều LAN Switch hiện nay có thể đánh dấu và tác động trên các trường 3 bit Layer 2 được gọi là CoS nằm bên trong Ethernet header. Trường CoS chỉ tồn tại bên trong Ethernet frame khi các đường trunk 802.1Q và ISL được sử dụng. Có thể sử dụng trường này để thiết lập 8 giá trị nhị phân khác nhau mà có thể dùng cho chức năng phân loại của công cụ QoS như IP Precedence và DSCP.
một ở ISL header. Chuẩn IEEE 802.1Q dùng 3 bit đầu trong 2 byte của trường Tag Field. Còn đặc điểm ISL độc quyền của Cisco dùng 3 bit cuối từ 1 byte của trường User Field trong ISL header. Xét ví dụ cụ thể về gán giá trị CoS và DSCP:
Theo hình 3.1.2.4b, minh hoạ một LAN switch thực hiện chức năng QoS dựa trên CoS. R3 đọc các frame đi vào trên một cổng (ví dụ F0/9), đánh dấu giá trị DSCP dựa trên các thông số CoS. Thêm vào đó R3 đọc các giá trị DSCP cho các gói tin đang đi ra cổng F0/0 về SW2, gán giá trị trong 802.1Q header. Giá trị thực sự trên cổng F0/0 của R3 cho quá trình phân loại và đánh dấu như sau:
- Các frame đi vào với giá trị CoS 5 sẽ được gán giá trị DSCP EF - Các frame đi vào với giá trị CoS 1 sẽ được gán giá trị AF11. - Các frame đi vào với bất kỳ giá trị CoS nào sẽ được gán DSCP 0. - Các frame đi ra với giá trị DSCP EF sẽ được gán CoS 5.
- Các gói đi ra với DSCP AF11 sẽ được gán Cos 1
2.5 Đánh dấu gói tin trên WAN
Frame Relay và ATM (Asynchronous Transfer Mode) hỗ trợ một bit đơn có thể được dùng để đánh dấu, nhưng các bit đơn này chỉ ra khả năng loại bỏ gói tin. Các frame có bit này được gán bằng 1 thì frame đó có thể bị loại bỏ. Các bit này được đặt tên là bit DE (Discard Eligibility) và ATM CLP (ATM Cell Loss Priority). Các bit này có thể gửi bởi một router, một tổng đài ATM hoặc FR Switch. Router và switch sẽ được cấu hình để chủ động loại bỏ các frame và các cell có DE=1 hoặc CLP=1.
MPLS (Multiprotocol Label Switching) định nghĩa trường 3 bits khác gọi là MPLS Experimental (EXP) bit cho mục đích đánh dấu. Thường thì các công cụ đánh dấu và phân loại được dùng ở ngoài biên của mạng MPLS để ánh xạ giá trị DSCP hoặc IP Precendence sang EXP để cung cấp chức năng QoS bên trong một mạng MPLS.
Trong các hệ thống mạng trên, các giá trị IP Precedence và DSCP bên trong một gói tin IP không bị thay đổi. Tuy nhiên, một vài thiết bị có thể không có khả năng đọc vào các trường IP Precedence và DSCP và một vài thiết bị có thể đọc các trường khác dễ dàng hơn. Ví dụ, một router MPLS Label Switch Router (LSR) bên trong một đám mây
MPLS có thể được cấu hình để ra quyết định QoS dựa trên ba bit MPLS EXP trong nhãn MPLS nhưng không có khả năng đọc đến các IP header đã đóng gói bên trong. Trong những trường hợp như vậy, các công cụ QoS có thể cần phải được cấu hình trên những thiết bị ngoài biên của hệ thống mạng để đọc các giá trị DSCP và đánh dấu bằng những trường khác nhau. Các trường có thể dùng để đánh dấu cho các giao thức non-IP có thể tồn tại chỉ cho các trường này là như sau: CoS, DE, CLP, EXP.
Do đó, phân loại và đánh dấu như sau:
- Để phân loại: Chỉ trên cổng vào và chỉ nếu cổng đó của router hỗ trợ trường trong header.
- Để đánh dấu: Chỉ trên cổng ra và chỉ nếu cổng đó của router hỗ trợ trường đó trong header.
Nếu quá trình đánh dấu phải được cấu hình trên R1 802.1Q subinterface (ví dụ, F0/0.1), nó có thể phân loại các frame đi vào dựa trên giá trị CoS và đánh dấu các frame đi ra với giá trị CoS. Tuy nhiên, khi dữ liệu đi vào, router không thể đánh dấu giá trị CoS và trên chiều đi ra, router cũng không thể phân loại dựa trên CoS. Tương tự như vậy, quá trình đánh dấu cũng không thể phân loại hay đánh dấu các bit DE, CLP hoặc MPLS EXP bởi vì các header này không tồn tại trong theo chuẩn Ethernet.
4. Congestion Management Queuing (Quản Lý Tắc Nghẽn)4.1 Các khái niệm và cơ chế cơ bản 4.1 Các khái niệm và cơ chế cơ bản
4.1.1 Khái niệm
Congestion Management Queuing là cơ chế quản lý tắc nghẽn dựa trên việc phòng ngừa tắc nghẽn (dựa vào các cơ chế hàng đợi để xắp xếp thứ tự và ưu tiên của các gói tin …FIFO, PQ…) phát hiện tắc nghẽn (các cơ chế phát hiện và cảnh báo khi gặp tắc nghẽn )và điều khiển lưu lượng mạng khi xảy ra tắc nghẽn .
4.1.2 Cơ chế
- Cơ chế quản lý tắc nghẽn còn được gọi là cơ chế Queuing (hàng đợi) và nó hoạt
- Các router hay switch quản lý gói tin đang chờ để đi ra một cổng .Ta có 2 hàng đợi :
+ Hàng đợi vào + Hàng đợi ra
Hàng đợi quyết định khi nào gói tin được gửi và loại bỏ khi phát hiện tắt nghẽn .
4.1.3 Các Nguyên Nhân Gây Tắc Nghẽn
Thông thường, các công cụ QoS được phân loại thành các nhóm sau: - Tool phân loại và đánh dấu (Classification and marking tools) - Tool Chính sách và định hướng (Policing and shaping tools)
- Tool chống nghẽn (Congestion-avoidance (selective dropping) tools) - Tool quản lý hàng đợi (Congestion-management (queuing) tools) - Tool phân biệt kết nối (Link-specific tools)
Quá trình xử lý QoS thường thông qua 5 giai đoạn: phân loại và đánh dấu
frame/packet; policing/shaping; chống tắc nghẽn, queueing / scheduling. Phân loại frame/ packet là quá trình đánh dấu frame/ packet dùng trường CoS, ToS, IP precedence, DSCP. Policing là quá trình giới hạn băng thông sử dụng đầu vào, frame/ packet sau đó sẽ bị drop hoặc mark down giá trị ToS tùy mong muốn của người quản trị. Căn cứ trên giá trị ToS các frame/ packet được xếp hàng trên các hàng đợi đầu ra và phục vụ theo schedule định trước. Phương pháp chống tắc nghẽn được thực hiện trên mỗi hàng đợi để tránh tắc nghẽn có thể xảy ra. Khi có tắc nghẽn, các thuật toán hàng đợi quản lí tắc nghẽn sẽ được sử dụng để đảm các dịch vụ có yêu cầu cao nhận được Qos phù hợp.
4.1.4 Các Nguyên Nhân Gây Tắc Nghẽn
- Băng thông yếu .
- Router yếu ,tốc độ xử lý chậm (nhất là đối với các Router ở các nút mạng trung tâm)
- Cơ chế hàng đợi trong các router không phù hợp .
4.1.5 Các cơ chế quản lý tắc nghẽn.
- Điều khiển mạng khi đang có tắc nghẽn :Ngăn không cho lưu lượng mới vào mạng khi mạng đang bị tắc nghẽn
- Quản lý để tránh tắc nghẽn (Xây dựng mô hình mạng hợp lý ,định tuyến phù hợp,nâng cấp Router ở các nút mạng trung tâm,nâng cấp đường truyền).
4.1.6 Khái niệm hàng đợi
- Hàng đợi là danh sách các gói tin đã được cấu hình và được nằm chờ trong hàng đợi để chuyển ra một cổng . Nhờ vào Hàng đợi này mà người quản trị có thể cấu hình và can thiệp những gói tin nào có thể rời khỏi cổng , những gói tin có thể loại bỏ . - Hàng Đợi gồm có : Hàng đợi cừng và hàng đợi mềm .
+ Hàng đợi mềm : Là các công cụ hàng đợi được thiện hiện bằng phần mềm + Hàng đợi cứng : Di chuyển gói tin từ hàng đợi mềm sang một hàng đợi nhỏ bằng phần cứng FIFO. Cisco gọi các hàng đợi riêng biệt cuối cùng này là hàng đợi truyền (transmit queue - TX queue) hoặc vòng tròn hoặc vòng tròn truyền (TX ring) tùy thuộc vào kiểu router. Các hàng đợi này được gọi là các hàng đợi phần cứng.
4.2 Các kĩ thuật hàng đợi.
Có rất nhiều kĩ thuật hàng đợi: FIFO (first in first out), PQ ( priority queue-hàng đợ ưu tiên), FQ (fair queue-hàng đợi cân bằng). FIFO đây là kĩ thuật xếp hàng vào trước ra trước cơ bản. Các gói đến trước sẽ là các gói đầu tiên được xử lý. Khi hàng đợi đầy và có tắc nghẽn xảy ra thì các gói đến sẽ bị loại bỏ. Hàng đợi FIFO dựa vào hệ thống đầu cuối để điều khiển tắc nghẽn thông qua cơ chế điều khiển tắc nghẽn. Do loại hàng đợi này rất đơn giản nhiều khi không điều khiển được tắc nghẽn nên ta thường xét các loại hàng đợi hiệu quả hơn: hàng đợi ưu tiên(PQ), hàng đợi cân bằng (FQ), hàng đợi có trọng số (WQ).
4.2.1 FIFO (First in first out)
- Hàng đợi FIFO là kỹ thuật hàng đợi mặc định trong các bộ định tuyến , các gói tin sau khi được phân loại sẽ được đưa vào trong một hàng đợi đơn và các gói tin được gửi ra đầu ra theo đúng thứ tự mà gói tin đó đã đi vào .
- Hàng đợi FIFO không có sự phân loại vì tất cả các gói được thuộc về cùng một lớp. Một bộ định tuyến hay bộ chuyển mạch cần các hàng đợi xuất để giữ các gói trong khi chờ bộ giao tiếp sẵn sàng gửi gói. Trong khi các công cụ hàng đợi khác thể hiện các tính năng khác, như sắp xếp trật tự các gói, hàng đợi FIFO chỉ cung cấp một ý nghĩa giữ các gói trong khi chúng chờ để rời khỏi một cổng giao tiếp (interface). Hàng đợi FIFO sử dụng một hàng đợi đơn cho bộ giao tiếp. Vì chỉ có một hàng đợi nên không cần phân lớp để quyết định khi gói đi vào. Và cũng không cần lập lịch ban đầu để cho hàng đợi lấy gói tiếp theo. Chỉ quan tâm đến cách cấu hình chiều dài hàng đợi FIFO tránh tác động đến độ trễ và mất gói.
- Hàng đợi FIFO sử dụng kỹ thuật hủy gói cuối hàng đợi để quyết định khi nào bỏ gói hay cho gói vào hàng đợi. Nếu cấu hình một hàng đợi dài hơn, nhiều gói có thể đặt trong hàng đợi, nghĩa là hàng đợi ít khả năng đầy. Nếu không gian hàng đơi còn trống nhiều thì gói ít bị mất. Tuy vậy, với một hàng đợi dài, độ trễ và độ biến động trễ của gói tăng. Với hàng đợi ngắn, độ trì hoãn ít xuất hiện hơn, nhưng hàng đợi FIFO đơn sẽ đầy nhanh chóng, lúc này các gói mới sẽ bị hủy bỏ.
Lập lịch hàng đợi FIFO:
- Sau khi gói đi vào hàng đợi thì bộ định tuyến sẽ sử dụng thuật toán lập lịch để duy trì công việc. Lập lịch FIFO là thuật toán lập lịch truyền thống được sử dụng trong Internet. Đây là thuật toán lập lịch đơn giản nhất. Trong thuật toán này bộ lập lịch truyền các gói theo thứ tự đến và hủy các gói khi hàng đợi đầy. Tuy nhiên, bộ lập lịch gói không có sự phân biệt giữa các người sử dụng. Vì vậy nó không thể phân phối cho một số user độ trễ trung bình thấp hơn các người dùng khác. Mọi người dùng trong cùng lớp dịch vụ chịu cùng một độ trễ biến thiên (jitter delay). Ngoài ra, độ biến động trễ có xu hướng tăng lên khi số chặng tăng lên vì độ trễ hàng đợi của gói ở các chặng khác nhau không tương quan với nhau.
- Để hạn chế độ biến động trễ, giải thuật FIFO+ ra đời. Giải thuật này cân bằng độ giao động cho tất cả các luồng trong lưu lượng tổng trong suốt đường đi qua các chặng. - Giải thuật được thực hiện như sau: Tại mỗi chặng chúng ta đo độ trễ trung bình của từng gói trong mỗi lớp tại mỗi nút mạng. Sau đó chúng ta tính toán sự chênh lệch giữ nó với độ trễ trung bình của lưu lượng tổng. Khoảng cách chênh lệch này được cộng hoặc trừ vào một trường trong tiêu đề của gói. Trường này cho phép mỗi nút mạng tính toán khi nào gói được đưa đến xử lý trong mạng. Các nút mạng lúc đó lập lịch gói cứ như thể nó đến đúng vào thời điểm trung bình mong muốn. Điều này được thực hiện bằng cách sắp xếp hàng đợi theo thời điểm đến mong đợi chứ không phải theo thời gian đến thực sự. FIFO (gồm cả FIFO+) không thể cung cấp việc chia sẻ tài nguyên đồng đều giữa các người sử dụng cũng như sự bảo vệ. Không có sự bảo vệ ở đây có nghĩa là khi một người dùng gửi gói với tốc độ lớn hơn tốc độ cho phép làm ảnh hưởng đến các người sử dụng khác.
- Với FIFO, độ trễ trung bình của một người sử dụng có thể tăng lên nếu tổng tốc độ đến của tất cả người sử dụng tăng lên.
- Các ưu điểm của kỹ thuật hàng đợi FIFO
• Nó được hỗ trợ trên tất cả các nền tảng.
• Hàng đợi FIFO được hỗ trợ trong tất cả các phiên bản của Cisco IOS.
- Nhược điểm:
• FIFO không hoàn toàn tin cậy khi một luồng không mong muốn tranh giành với các luồng có độ ưu tiên thấp. Các luồng không mong muốn gửi một số lượng lớn các gói (đa số các gói đó bị huỷ bỏ). Trong khi đó, các luồng với độ ưu tiên thấp gửi một số lượng gói xác định và hầu hết chúng bị hủy bởi vì hàng đợi lúc nào cũng đầy do các luồng không mong muốn đã chiếm hết không gian hàng đợi.
• Sự bùng nổ cao hay thấp gây ra tình trạng đầy hàng đợi FIFO. Các gói đi vào một hàng đợi đầy phải chờ một thời gian dài trước khi chúng được truyền. Nhưng ở thời điểm khác, hàng đợi có thể trống và các gói trong cùng một luồng không bị trì hoãn.
4.2.2 PQ (Priority Queuing)
Kĩ thuật này được sử dụng trong trường hợp đa hàng đợi, mỗi hàng đợi có một mức ưu tiên khác nhau, hàng đợi nào có mức ưu tiên cao nhất sẽ được ưu tiên phục vụ trước. Khi có tắc nghén xảy ra thì các gói trong các hàng đợi có độ ưu tiên thấp sẽ bị loại bỏ. Có một vấn đề đối với kĩ thuật này: khi các hàng đợi có độ ưu tiên cao quá nhiều thì các gói trong hàng đợi có độ ưu tiên thấp sẽ không bao giờ được phục vụ. Các gói được phân loại và được sắp xếp vào hàng đợi tuỳ thuộc vào thông tin bên trong các gói. Tuy nhiên kĩ thuật này dễ bị lạm dụng bởi người sử dụng hay các ứng dụng do ấn định các độ ưu tiên không cho phép.
Vậy PQ cho phép định nghĩa các luồng lưu lượng ưu tiên như thế nào trong mạng? Ta có thể cấu hình các độ ưu tiên lưu lượng, có thể định nghĩa một loạt các bộ lọc trên cơ sở các đặc điểm của gói qua router để sắp xếp các lưu lượng trong các hàng đợi. Hàng đợi có độ ưu tiên cao nhất sẽ được phục vụ trước cho đến khi hàng đợi rỗng, sau đó các hàng đợi có độ ưu tiên thấp hơn sẽ được phục vụ lần lượt. Câu hỏi đặt ra là PQ làm việc