3.2.3.1. QoS trong mạng lõi IP 3G/UMTS
Mạng lõi gói tin UMTS có trách nhiệm hỗ trợ các dịch vụ truyền tải đƣờng trục khác nhau tùy theo sự đa dạng của QoS. Đó là tùy chọn của nhà điều hành về các khả năng của QoS trong lớp IP hoặc khả năng QoS trong lớp ATM đƣợc sử dụng. Bắt đầu từ việc phát hành 3GPP phiên bản năm trở đi nhằm mục đích là chuyển mạng 3G chạy hoàn toàn trên giao thức Internet (IP). IP đặc biệt phù hợp cho các mạng mà chất lƣợng kết nối của chúng đƣợc miêu tả nhƣ là “best effort”. Mạng nổi tiếng dựa trên nguyên lý này là mạng Internet công cộng.
Cung cấp các dịch vụ truyền thông đa phƣơng tiện khác nhau cho khách hàng di động là yêu cầu chính của mạng di động 3G/UMTS, mạng 3G/UMTS đƣợc xây dựng trên nền IP và sẽ tạo nên một mạng toàn IP. Các tính năng quản lý, đảm bảo chất
SVTH: Nguyễn Văn Chiến-Lớp D10VT1 Page 30
lƣợng dịch vụ trong mạng lõi IP 3G/UMTS cũng tƣơng tự nhƣ cho bất kỳ mạng IP nào khác. Bảng 3.1 liệt kê các tham số đánh giá năng lực trong mạng lõi.
Dịch vụ Yêu cầu Tham số đánh giá
Truyền số liệu -Tối thiểu trễ và mất gói tin -Đo đƣợc QoS
-Jitter
-Tỷ lệ mất gói tin -Trễ
VoIP -Tối thiểu trễ, mất gói tin, jitter -Jitter
-Tỷ lệ mất gói tin -Trễ
-MOS Thỏa thuận dịch
vụ
-Đo đƣợc trễ, mất gói tin, jitter -Chiều đi -Jitter -Tỷ lệ mất gói tin -Trễ -Chiều đi -Độ chính xác cao
Sẵn sàng dịch vụ -Đo kiểm kết nối -Kiểm tra kết nối đến các thiết bị IP
Truyền video -Tối thiểu trễ, tỷ lệ mất gói tin - Jitter ,Trễ -Tỷ lệ mất gói tin
Bảng 3.1- Tham số đánh giá năng lực mạng IP các loại dịch vụ khác nhau
Đảm bảo chất lƣợng mạng lõi 3G/UMTS là đảm bảo các kỹ thuật xử lý lƣu lƣợng trong mạng sử dụng bộ giao thức IP nhằm đảm bảo các loại lƣu lƣợng có yêu cầu chất lƣợng dịch vụ khác nhau đƣợc đối xử ƣu tiên khác nhau. Để cung cấp chất lƣợng dịch vụ QoS qua mạng IP , mạng phải thực hiện hai nhiệm vụ cơ bản :
Phân biệt các luồng lƣu lƣợng hoặc các kiểu dịch vụ để ngƣời sử dụng đƣa các ứng dụng vào các lớp hoặc luồng lƣu lƣợng phân biệt với các ứng dụng khác.(1)
Phân biệt các lớp lƣu lƣợng bằng các nguồn tài nguyên và ứng xử dịch vụ khác nhau trong một mạng.(2)
Nhiệm vụ (1) thƣờng đƣợc thực hiện tại giao diện ngƣời sử dụng và mạng UNI (User Network Interface). Khả năng thực hiện nhiệm vụ (2) của mạng là sự khác biệt cơ bản của các công nghệ mạng, nó thể hiện các đặc điểm ƣu việt và nhƣợc điểm của các giải pháp công nghệ khác nhau.
SVTH: Nguyễn Văn Chiến-Lớp D10VT1 Page 31
Hình 3.3 dƣới đây chỉ ra các yêu cầu chức năng đƣợc thực hiện trong bộ định tuyến IP. Bộ định tuyến IP trên hình vẽ thể hiện dƣới góc độ các khối chức năng sắp xếp theo hƣớng đi của luồng dữ liệu từ đầu vào bộ định tuyến tới đầu ra bộ định tuyến. Các gói tin IP đi vào từ các cổng đầu vào của bộ định tuyến tới các khối chức năng đánh dấu gói và phân loại gói, hai khối chức năng này của bộ định tuyến thực hiện nhiệm vụ (1). Các khối chức năng: Chính sách lƣu lƣợng, quản lý hàng đợi tích cực, lập lịch gói và chia cắt lƣu lƣợng là các khối chức năng thực hiện nhiệm vụ (2).
Gói vào
Gói đầura
Hình 3.3 - Chức năng đảm bảo QoS của bộ định tuyến IP a. Đánh dấu gói tin IP
Đánh dấu gói tin IP là chức năng đầu tiên mà các bộ định tuyến IP áp dụng vào các luồng lƣu lƣợng ngƣời sử dụng. Chức năng đánh dấu gói đặt các bit nhị phân vào các trƣờng chức năng đặc biệt của của tiêu đề gói tin IP để phân biệt kiểu của gói tin IP với các gói tin IP khác. Một gói có thể phân biệt bởi địa chỉ nguồn, địa chỉ đích hoặc tổ hợp cả hai, hoặc giá trị DSCP của trƣờng chức năng IP precedence, kỹ thuật đánh dấu DSCP sẽ đƣợc trình bày trong mục sau. Các gói tin IP đến một cổng đầu vào có thể đƣợc đánh dấu hoặc không. Nếu gói tin đã đƣợc đánh dấu, nó có thể đƣợc đánh dấu lại nếu các giá trị đã đƣợc đánh dấu chỉ ra các đặc điểm vi phạm chính sách của bộ định tuyến đang thực hiện chuyển gói. Nếu một gói chuyển qua nhiều vùng dịch vụ phân biệt, các gói tin sẽ đƣợc đánh dấu theo cách phù hợp với các thoả thuận mức dịch vụ SLA giữa các vùng. Các gói tin chƣa đƣợc đánh dấu sẽ đƣợc đánh dấu để nhận các giá trị phụ hợp với chính sách của bộ định tuyến.
b. Phân loại gói tin IP
Phân loại gói sử dụng để nhóm các gói tin IP theo luật phân lớp dịch vụ. Điểm khởi tạo phân lớp lƣu lƣợng có thể đặt tại thiết bị đầu cuối. Trong mạng, các gói tin IP đƣợc lựa chọn dựa trên các trƣờng chức năng của tiêu đề IP sử dụng cho đánh dấu gói tin IP. Hai phƣơng pháp phân loại gói tin là:
Phân loại đa trƣờng MF (Multi-Field)
Phân loại kết hợp hành vi BA (Behavior Aggregate)
Đánh dấu gói Phân loại gói Chính sách lƣu lƣợng Quản lý hàng đợi Lập lịch cho gói tin Chia cắt lƣu lƣợng
SVTH: Nguyễn Văn Chiến-Lớp D10VT1 Page 32
c. Chính sách lƣu lƣợng
Chính sách lƣu lƣợng đƣợc sử dụng để kiểm tra các luồng lƣu lƣợng gói tin IP đến trên các cổng đầu vào của bộ định tuyến có phù hợp với các tốc độ lƣu lƣợng đã đƣợc thoả thuận và xác định hay không. Chính sách lƣu lƣợng gồm bộ đo lƣu lƣợng để xác định lƣu lƣợng đầu vào và đầu ra, trên cơ sở đó áp dụng chính sách điều khiển tốc độ lƣu lƣợng phù hợp với đầu ra bởi bộ đánh dấu gói. Các gói tin có thể đánh dấu lại hoặc bị loại bỏ nếu không phù hợp với lƣu lƣợng đầu ra. Thông thƣờng chính sách lƣu lƣợng kiểm tra tốc độ lƣu lƣợng đầu vào theo một vài tham số lƣu lƣợng nhƣ:
Tốc độ thông tin cam kết CIR (Committed Information Rate).
Tốc độ thông tin đỉnh PIR (Peak Information Rate).
d. Quản lý hàng đợi tích cực
Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Management) là một kỹ thuật điều khiển chống tắc nghẽn, ý tƣởng chính của AQM là dự đoán trƣớc khả năng tắc nghẽn và đƣa ra một số hoạt động điều khiển để chống lại hoặc giảm thiểu khả năng tắc nghẽn. Có 3 kỹ thuật cơ bản là: Kỹ thuật loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên RED (Random Early Discarding); Kỹ thuật loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED (Weighted Random Early Discarding); Thông báo tắc nghẽn hiện ECN (Explicit Congestion Notification). Kỹ thuật RED và WRED liên quan tới các hoạt động của các gói loại bỏ trong hàng đợi và không liên quan trực tiếp tới thiết bị đầu cuối. ECN đƣa ra tiếp cận khác liên quan trực tiếp tới các thành viên của ngƣời sử dụng đầu cuối.
e. Lập lịch cho gói tin
Lập lịch cho các gói tin IP thể hiện cách thức thiết lập thứ tự cho các gói đi ra khỏi các hàng đợi, dựa trên các đặc tính của các cổng đầu ra, các gói tin sẽ đƣợc phân bố và chuyển tới đầu ra theo luật. Thông thƣờng, kỹ thuật lập lịch không cần phải tiêu chuẩn hoá và phụ thuộc vào nhà cung cấp thiết bị. Kỹ thuật lập lịch là mấu chốt trung tâm của chất lƣợng dịch vụ và là thƣớc đo công nghệ giữa các nhà cung cấp khác nhau.
Một số kiểu hàng đợi lập lịch thƣờng sử dụng gồm: Hàng đợi vào trƣớc ra trƣớc FIFO (First In First Out); Hàng đợi ƣu tiên PQ (Priority Queueing); Hàng đợi công bằng FQ (Fair Queuing); hàng đợi quay vòng trọng số WRR (Weighted Round Robin); Hàng đợi công bằng trọng số WFQ (Weighted Fair Queuing) và hàng đợi dựa theo lớp công bằng trọng số (Class – based WFQ).
f. Chia cắt lƣu lƣợng
Chia cắt lƣu lƣợng là để thay đổi tốc độ luồng lƣu lƣợng đến nhằm điều hoà lƣu lƣợng với đầu ra. Nếu lƣu lƣợng đầu vào có độ bùng nổ cao, luồng lƣu lƣợng cần phải đệm để đầu ra bớt bùng nổ và mềm hơn. Theo ý tƣởng nhƣ vậy, các hành vi lƣu lƣợng đƣợc điều chỉnh theo các dạng lƣu lƣợng đã xác định trƣớc, ví dụ theo các thoả thuận
SVTH: Nguyễn Văn Chiến-Lớp D10VT1 Page 33
mức dịch vụ SLA. Việc điều chỉnh tốc độ lƣu lƣợng giống nhƣ một quá trình dừng và đi, thời gian trễ tại bộ đệm sẽ làm các gói tại đầu ra đƣợc điều chỉnh theo yêu cầu. Có hai dạng chia cắt lƣu lƣợng thƣờng sử dụng là: chia cắt lƣu lƣợng thuần và chia cắt lƣu lƣợng gáo rò.
3.2.3.2 Mô hình đảm bảo lƣu lƣợng cho mạng IP a. Mô hình tích hợp dịch vụ INTSERV
Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ là để hỗ trợ việc dành trƣớc tài nguyên cho các luồng lƣu lƣợng. Dịch vụ tích hợp cho phép dành toàn bộ một tuyến cho luồng dữ liệu và đƣợc thực hiện bởi việc thiết lập một tuyến dành trƣớc tài nguyên trƣớc khi gửi dữ liệu.
Thực chất của mô hình này là các bộ định tuyến và thiết bị mạng phải dành trƣớc nguồn tài nguyên của nó để cung cấp các mức chất lƣợng dịch vụ cụ thể cho các gói mang lƣu lƣợng ngƣời dùng. Điều này yêu cầu các bộ định tuyến phải có khả năng điều khiển các luồng lƣu lƣợng.
Hình 3.4 - Mô hình tích hợp dịch vụ Intserv
Ứng dụng sẽ mô tả lƣu lƣợng và tài nguyên nào mà nó sẽ cần. Sau đó, mạng sẽ sử dụng giao thức dành trƣớc tài nguyên (RSVP) để dành trƣớc băng thông xác định trong mỗi bộ định tuyến dọc theo đƣờng đi. Mỗi bộ định tuyến sẽ kiểm tra xem ở đó nó có đảm bảo tài nguyên đƣợc yêu cầu và duy trì tuyến khi đƣợc yêu cầu bởi yêu cầu dành trƣớc tài nguyên. Khi tất cả các bƣớc nhảy đã đƣợc thiết lập, thiết bị gửi có thể gửi dữ liệu.
Mô hình tích hợp dịch vụ IntServ mô tả các ứng dụng QoS trong mạng IP theo phƣơng pháp nhận dạng luồng lƣu lƣợng với 5 tham số cơ bản sau:
Nhận dạng giao thức
Địa chỉ IP đích
Địa chỉ cổng đích
Địa chỉ IP nguồn
SVTH: Nguyễn Văn Chiến-Lớp D10VT1 Page 34
Để dự trữ tài nguyên cho một luồng lƣu lƣợng, ứng dụng nguồn cần phải cung cấp các đặc tính luồng. Đặc tính luồng gồm các đặc tính lƣu lƣợng và các yêu cầu chất lƣợng dịch vụ cho luồng đó.
Đặc tính lƣu lƣợng bao gồm tốc độ đỉnh, tốc độ trung bình, kích thƣớc bùng nổ và các tham số của gáo rò.
Các yêu cầu dịch vụ gồm băng thông tối thiểu và các yêu cầu hiệu năng nhƣ trễ, biến động trễ và tỷ lệ tổn thất gói.
Các dịch vụ tích hợp có thể đƣợc chia thành hai mặt bằng: mặt bằng điều khiển và mặt bằng dữ liệu.
Mặt bằng điều khiển thiết lập việc dành trƣớc tài nguyên.
Mặt bằng dữ liệu thực hiện truyền dữ liệu.
Để yêu cầu một dành trƣớc tài nguyên IntServ, trƣớc tiên ứng dụng phải đặc tính hoá đƣợc luồng lƣu lƣợng của nó và tập hợp lại trong chỉ tiêu luồng lƣu lƣợng. Sau đó, yêu cầu thiết lập dự trữ tài nguyên có thể đƣợc gửi đến mạng. Nếu có thể cam kết việc dự phòng, luồng đó đƣợc đƣa vào bảng dự phòng tài nguyên. Khi gói tin đến, khối lƣợng nhận dạng luồng sẽ nhận dạng gói tin thuộc về luồng đặt trƣớc và đặt chúng vào trong hàng đợi phù hợp để nhận đƣợc dịch vụ yêu cầu.
Việc lựa chọn đƣờng dẫn phù hợp cho chặng kế tiếp tại một nút là một nhiệm vụ khó khăn do các hạn chế trong việc định tuyến IP truyền thống. Đƣờng dẫn cần đƣợc lựa chọn có thể đã đáp ứng đƣợc yêu cầu định ra. Tuy nhiên, định tuyến IP thƣờng sử dụng các số đo nhƣ trễ, bƣớc nhảy hay một số loại thông số khác để tính toán đƣờng đi ngắn nhất. Do vậy, đƣờng dẫn ngắn nhất có thể không có đƣợc khả năng truyền tải, mặc dù đƣờng dẫn khác dài hơn lại có đƣợc khả năng đó. Vấn đề định tuyến có thể trở nên phức tạp hơn bởi một số ứng dụng có yêu cầu nhiều tham số QoS (ví dụ, cả băng thông và các yêu cầu về tổn thất gói tin). Tìm kiếm đƣờng dẫn phù hợp trong nhiều điều kiện ràng buộc rất phức tạp. Chính vì lý do đó, mô hình đảm bảo QoS cho IP đầu tiên này không yêu cầu gắn các cơ chế định tuyến đảm bảo QoS trong kiến trúc InterServ. Kiến trúc này giả sử rằng khối chức năng định tuyến của bộ định tuyến sẽ thực hiện định tuyến từng bƣớc (hop by hop).
Tài nguyên dành trƣớc trong InterServ cần phải qua tất cả các nút trên đƣờng dẫn và thiết lập các dự phòng yêu cầu. Nó cũng phải truyền tải thông tin trong các phác thảo lƣu lƣợng và các yêu cầu tài nguyên, do vậy mỗi nút cần quyết định liệu nó có chấp nhận việc dành trƣớc hay không, nhận dạng luồng nhƣ thế nào và lập lịch cho gói tin.
Điều khiển chấp nhậnxử lý hai nhiệm vụ cơ bản là: Chấp nhận hay từ chối các yêu cầu dành trƣớc và giám sát việc sử dụng tài nguyên. Việc dành trƣớc tài nguyên cho một yêu cầu mới không thể đƣợc chấp nhận nếu nút không có sẵn tài nguyên yêu
SVTH: Nguyễn Văn Chiến-Lớp D10VT1 Page 35
cầu. Có hai hƣớng tiếp cận để quyết định tài nguyên nào là sẵn sàng: Dựa trên đo đạc và dựa theo tham số.
Nhận dạng luồng RSVP sử dụng 5 trƣờng trong tiêu đề gói tin IP để nhận dạng các gói tin thuộc về các luồng dành trƣớc tài nguyên trong nút. Các trƣờng này bao gồm: địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, nhận diện giao thức, cổng nguồn và cổng đích.
Lập lịch gói tin là bƣớc cuối cùng trong việc dành trƣớc tài nguyên. Bộ lập lịch gói tin thực hiện việc cấp pháp tài nguyên. Nó quyết định gói tin nào gửi kế tiếp khi tuyến kết nối đi là sẵn sàng. Do đó nó tác động đến trễ mà gói tin đó phải chịu trong bộ định tuyến và bộ định tuyến không trực tiếp loại bỏ gói tin.
b. Mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ
Kiến trúc mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ đƣợc coi là bƣớc phát triển tiếp theo của mô hình tích hợp dịch vụ IntServ. Một vấn đề lớn nhất còn tồn tại của IntServ là các nguồn tài nguyên cần phải đƣợc duy trì trạng thái thông tin theo từng luồng. Với các mạng có số lƣợng dịch vụ và số lƣợng thiết bị mạng lớn, vấn đề này trở nên khó khả thi đối với các bộ định tuyến lõi cần phải xử lý lƣu lƣợng rất lớn trong mạng. Tiếp cận của mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ là không xử lý theo từng luồng lƣu lƣợng riêng biệt mà ghép chúng vào một số lƣợng hạn chế các lớp lƣu lƣợng. Trong DiffServ, băng thông và các tài nguyên mạng khác đƣợc chỉ định trong các lớp lƣu lƣợng. DiffServ hƣớng tới xử lý trong từng vùng dịch vụ phân biệt DS (Differential Service)
DiffServ chỉ cung cấp quan hệ ứng xử phân biệt tới các lớp lƣu lƣợng, vì vậy DiffServ không cung cấp mức QoS cụ thể. Để đảm bảo một số mức chất lƣợng dịch vụ QoS cụ thể, DiffServ đƣợc hỗ trợ với điều khiển quản lý tại biên vùng DS nhằm phối hợp điều khiển các luồng lƣu lƣợng vào mạng. Chất lƣợng dịch vụ đƣợc cung cấp bởi mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ theo hƣớng cung cấp thay vì theo hƣớng dành trƣớc tài nguyên.
Dịch vụ DiffServ đƣợc định nghĩa trong các thoả thuận mức dịch vụ SLA của ngƣời sử dụng với nhà cung cấp dịch vụ DiffServ.DiffServ định nghĩa một số tham số mà ngƣời sử dụng hiểu rõ cho ứng dụng của họ trong SLA nhƣ: Thoả thuận về điều kiện lƣu lƣợng TCA (Traffic Conditioning Agreement), hồ sơ lƣu lƣợng (các tham số của gáo rò token), các tham số hiệu năng (độ thông qua, độ trễ, mức tổn thất gói), cách thức xử lý các gói tin không phù hợp với thoả thuận, luật đánh dấu và chia cắt lƣu lƣợng.
SVTH: Nguyễn Văn Chiến-Lớp D10VT1 Page 36