3.2.2.1. Diffserve
i. Áp dụng Diffserve vào mạng IP
Mở rộng dịch vụ là mối quan tâm hàng đầu của các nhà cung cấp dịch vụ khi số kết nối ngày càng tăng. Do đó trong mạng lõi cũng tăng số luồng lƣu lƣợng với nhiều giao thức khác nhau, DiffServ có khả năng mở rộng mạng mà vẫn đảm bảo điều kiện trên mỗi luồng với độ tính toán phức tạp. DiffServ giúp các nhà cung cấp dịch vụ có thể đảm bảo QoS tới từng dịch vụ ngƣời dùng.
Cấu trúc của mô hình DiffServ bao gồm nhiều lớp dịch vụ và mỗi lớp sẽ đƣợc cung cấp một lƣợng tài nguyên xác định. Ví dụ trong mạng bao gồm hai lớp dịch vụ: “nỗ lực tối đa” và “độ ƣu tiên” (premium). Điều này có nghĩa là những gói
75
dữ liệu thuộc lớp ƣu tiên sẽ đƣợc cung cấp chất lƣợng dịch vụ tốt hơn: dữ liệu đƣợc đảm bảo, ít mất hơn và có độ trễ thấp hơn.
Kiến trúc Diffserv đƣợc sử dụng bởi E-node B và PDN gateway để gán QCI một giá trị DSCP riêng biệt cho uplink và downlink. Việc gán giá trị ở Enode B và PDN gateway cho phép phân loại các gói tin ở mạng truyền tải nền tảng. Kiến trúc Diffserv gồm nhiều cách hành vi tại các điểm nhảy (Per Hop Behavirours - PHB) khác nhau đƣợc sử dụng đƣợc xác định và phân loại các gói tin và áp dụng các chất lƣợng dịch vụ (QoS) phù hợp. Các loại hành vi tại các điểm nhảy đƣợc phân loại thành 3 nhóm đƣợc gọi là Chuyển tiếp khẩn cấp (Expedited Forwarding - EF), Chuyển tiếp đảm bảo (Assured Forwarding - AF) và Phục vụ hết mức (Best Effort - BE).
Nhóm EF có mức ƣu tiên cao nhất và thƣờng đƣợc sử dụng cho các dịch vụ yêu cầu độ trễ rất thấp nhƣ thoại, báo hiệu … Nhóm AF chứa nhiều nhóm nhỏ với các mức ƣu tiên rớt gói tin khác nhau nhƣ bảng 3.4:
Drop
Precedence
AF 4X AF3x AF 2X AF 1X
Level 1 AF41(DSCP 26) AF31(DSCP 32) AF21(DSCP 26) AF11(DSCP 20) Level 2 AF41(DSCP 26) AF32(DSCP 30) AF22(DSCP 24) AF12(DSCP 18) Level 3 AF43(DSCP 38) AF33(DSCP 28) AF23(DSCP 22) AF13(DSCP 16)
Bảng 3-4: Mức ƣu tiên tƣơng ứng với các giá trị DSCP
Mức độ ƣu tiên rớt gói cho phép nhà cung cấp dịch vụ cung cấp các mức độ QoS khác nhau cho các dịch vụ khác nhau. Nhóm BE là nhóm mặc định trong các hành vi tại điểm nhảy và có mức độ ƣu tiên thấp nhất trong 3 nhóm. Nhóm AF và BE sử dụng kỹ thuật phát hiện sớm trọng số ngẫu nhiên để phát hiện các điểm nghẽn của hàng đợi dựa trên các ngƣỡng cho trƣớc. Khi số lƣợng các gói trong hàng đợi vƣợt quá ngƣỡng nhỏ nhất, kỹ thuật phát hiện sớm trọng số ngẫu nhiên bắt đầu làm rớt các gói tin dựa trên trọng số đƣợc gán cho từng hàng đợt. Nếu kết nối bị nghẽn nặng và số lƣợng gói tin trong hàng đợi vƣợt quá ngƣỡng lớn nhất thì tất cả các gói tin đến hàng đợi đều bị rớt.
76
a. Phân loại (classification)
Phân loại là việc các gói tin sẽ đƣợc đƣa vào những hàng đợi khác nhau mỗi khi tới router, IOS của router bằng cách này hay cách khác phải phân biệt đƣợc các gói tin khác nhau với độ ƣu tiên khác nhau để đƣa vào các hàng đợi thích hợp, nó phải biết đƣợc gói tin nào có RTP (Real time protocol) headers để shape (định hƣớng) cho gói tin nhằm cung cấp đủ băng thông cho lƣu lƣợng là voice. IOS phải phân biệt đƣợc đâu là VoIP và đâu là data, để làm điều này thì nó phải sử dụng Phân Loại (Classification). Để có thể phân loại đƣợc gói tin, thông thƣờng phải kiểm tra một số trƣờng trong headers, sau khi phân loại, một QoS tool sẽ đƣa gói tin vào hàng đợi thích hợp, hầu hết sự phân loại nhằm phân biệt đâu là gói tin VoIP và đâu là gói tin không phải VoIP.
b. Đánh dấu (Marking)
Đánh dấu là một kĩ thuật dùng để tạo ra sự phân biệt giữa các gói tin của các loại dữ liệu khác nhau trong khi thực hiện QoS, việc đánh dấu sẽ thực hiện trên các một số trƣờng có trong gói tin nhƣ IP precedent, DSCP, EXP, QoS group, QoS discard…. Việc đánh dấu thƣờng đƣợc thực hiện sau khi gói tin đã đƣợc phân loại. Sau khi phân loại gói tin ta sẽ đánh dấu vào gói tin đó một giá trị, có thể đó là giá trị IP precedent, DSCP hay EXP…Các giá trị đã đƣợc đánh dấu sẽ đƣợc dùng để phân loại gói tin ở chặn tiếp theo và thực hiện QoS. Việc đánh dấu thƣờng xảy ra tại ngõ vào của interface, tại đây gói tin sẽ đƣợc thu nhận và thực hiện đánh dấu lại (remark) nếu cần thiết, dấu vừa đánh sẽ tồn tại trong các hàng đợi ngõ ra của router này và trên đƣờng truyền tới đích tiếp theo. Thực chất của việc đánh dấu là ta sẽ set các giá trị trong gói tin lên các giá trị thích hợp mà ta cho là hợp lí.
c. Chiến lƣợc lập lịch
Mạng truyền dẫn bao gồm một bộ lập lịch đƣợc gán băng thông sẵn sàng dựa trên độ ƣu tiên và trọng số. Bộ lập lịch sử dụng sự phân loại của các gói dựa trên giá trị DSCP để thành lập các chiến lƣợc khác nhau cho việc phân phối tài nguyên mạng lƣới. Có 3 chiến lƣợc lập lịch đƣợc đánh giá và so sánh về mặt hiệu năng cho
77
việc cung cấp dịch vụ thoại chất lƣợng cao trong mạng LTE. Phần tiếp theo mô tả tổng quan các chiến lƣợc lập lịch khác nhau đƣợc triển khai trong mạng truyền dẫn.
Chiến lƣợc ƣu tiên nghiêm ngặt
Trong mô hình này, các gói đƣợc nhóm lại thành 4 cấp độ ƣu tiên khác nhau: thấp, bình thƣờng, trung bình và cao. Các gói nhạy với độ trễ nhƣ thoại có mức ƣu tiên cao và các dịch vụ nhƣ streaming độ trễ cao có mức ƣu tiên trung bình. Các dịch vụ dựa trên TCP nhƣ HTTP, FTP là các dịch vụ có độ ƣu tiên bình thƣờng và thấp. Bộ lập lịch luôn xử lý các gói có độ ƣu tiên cao trƣớc khi xử lý các gói khác trong hàng đợi. Chiến lƣợc này rất hữu ích cho các dịch vụ nhƣ VoIP. Hạn chế lớn nhất của chiến lƣợc này là khi mạng xảy ra tắc nghẽn với lƣu lƣợng có độ ƣu tiên cao nhƣ thoại, thì sẽ hoàn toàn không có tài nguyên cho dữ liệu có độ ƣu tiên thấp và do vậy thông lƣợng tổng thể của mạng sẽ giảm.
Chiến lƣợc xoay vòng theo trọng số (WRR)
Hàng đợi xoay vòng theo trọng số (WRR) chia băng thông cổng đầu ra của các lớp lƣu lƣợng đầu vào phù hợp với yêu cầu.
Nguyên lý hoạt động của WRR dựa trên hình 3-7. Các lƣu lƣợng đi vào đƣợc nhóm thành n lớp và băng thông cổng đầu ra đƣợc phân bố cho n lớp này theo trọng số thích hợp đã đƣợc xác định bởi băng thông yêu cầu cho n lớp này. Tổng trọng số của các lớp phải bằng 100%
∑
78
Hình 3-7: Nguyên lý hoạt động của WRR
Nhƣ hình trên, hàng đợi xoay vòng theo trọng số WRR gồm hai lớp lập lịch quay vòng:
- Lớp thứ nhất, các lớp từ 1 đến n đƣợc thăm bởi bộ lập lịch theo vòng thứ tự.
- Lớp thứ hai, các hàn đợi trong một lớp đƣợc bộ lập lịch thăm theo thứ tự vòng khi bộ lập lịch dừng lại tại một lớp.
Băng thông công đầu ra tính theo % đƣợc gán bởi lớp I, trong số lớp I (Wi ) thể hiện lƣợng thời gian tiêu tốn của bộ lập lịch cho lớp i. Ví dụ Wi = 20% có nghĩa
là bộ lập lịch sẽ tiêu tốn 20% chu kỳ thời gian quay vòng cho lớp i. Với các hàng đợi FQ trong lớp i, thời gian cho các hàng đợi là cân bằng ,vì vậy lƣợng thời gian
cho một hàng đợi trong Ni hàng đợi là 1/Ni. Trọng số cho mỗi hàng đợi FQ đƣợc tính nhƣ sau:
Wij = Wi x (1/Ni)
Trong đó, Wij là trọng số hàng đợi j trong lớp i, Wi là trọng số của lớp i, Ni là số hàng đợi FQ trong lớp i.
Từ công thức trên chúng ta có thể viết lại thành: Wi = Wij x Ni hay : ∑
79
Trọng số của lớp i (Wi) sẽ đƣợc tính bằng tổng các yêu cầu lƣu lƣợng trong lớp i. WRR sử dụng Wi thay cho 1/n nhƣ trong trƣờng hợp sử dụng hàng đợi FQ, tạo n lớp lƣu lƣợng với các yêu cầu băng thông cổng đầu ra khác nhau.
Lập lịch theo cân bằng trọng số
Trong lập lịch theo cân bằng trọng số, các gói dữ liệu đƣợc nhóm thành các hàng đợi khác nhau và mỗi hàng đợi đƣợc đƣợc gán một trọng số để xác định phần băng thông có sẵn cho hàng đợi. Trong trƣờng hợp này, có các giá trị trọng số khác nhau để xác định độ ƣu tiên của lƣu lƣợng nhƣ EF, AF và BE. Băng thông cho mỗi hàng đợi dựa trên trọng số và đƣợc mô tả bằng công thức:
BWk
Chiến lƣợc lập lịch cân bằng trọng số gán băng thông cho mỗi dịch vụ dựa trên trọng số đƣợc gán cho mỗi hàng đợi chứ không dựa trên số lƣợng gói. Do vậy khi có nhiều loại lƣu lƣợng khác nhau nhƣ VoIP, FTP, HTTP đƣợc truyền trong mạng, băng thông cho mỗi dịch vụ đƣợc chia dựa vào trọng số và độc lập với kích thƣớc gói trong hàng đợi. Sự khác biệt cơ bản giữa quay vòng theo trọng số và cân bằng trọng số là quay vòng theo trọng số thực hiện lập lịch quay vòng từng gói trong khi quay vòng cân bằng trọng số thực hiện theo từng bit một. Do vậy cân bằng theo trọng số có lợi là phƣơng pháp này nhận thức đƣợc kích thƣớc thực tế của gói tin trong mỗi hàng đợi trong khi phƣơng pháp quay vòng trọng số không làm đƣợc.
ii. Đánh giá phƣơng án áp dụng Diffserve vào mạng
Với việc áp dụng kỹ thuật này vào mạng, việc đảm bảo đƣờng truyền cho các dịch vụ và các khách hàng với mức độ ƣu tiên khác nhau đƣợc đảm bảo ngay cả khi hệ thống xảy ra quá tải. Với việc đảm bảo đƣờng truyền, dịch vụ cung cấp cho khách hàng do vậy cũng đƣợc đảm bảo.
3.2.2.2. MPLS
80
Khi mạng Internet ngày càng phát triển và mở rộng, lƣu lƣợng Internet bùng nổ dẫn đến nghẽn mạch. MPLS có thể đƣợc sử dụng ở các giao thức mạng khác nhau nhƣ IP, ATM và Frame Relay.
Công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS là một công nghệ lai kết hợp tốt nhất giữa định tuyến lớp 3 (layer 3 routing) và chuyển mạch lớp 2 (layer 2 switching) cho phép chuyển tải các gói rất nhanh trong mạng lõi và định tuyến tốt ở các mạng biên bằng cách dựa vào nhãn (label).
Trong MPLS, nhãn là một số có độ dài cố định và không phụ thuộc vào lớp mạng. Kỹ thuật hoán đổi nhãn là tìm nhãn của một gói tin trong một bảng nhãn và để xác định tuyến của gói và nhãn mới của nó. Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm các giao thức định tuyến với nhiệm vụ phân phối thông tin giữa các LSR và thủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành các bảng chuyển mạch nhãn. MPLS có thể hoạt động đƣợc với các giao thức định tuyến khác nhƣ OSPF (Open Shortest Path First), IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) hay BGP (Boder Gateway Protocol). Do MPLS hỗ trợ việc điều khiển lƣu lƣợng và cho phép thiết lập tuyến cố định, việc đảm bảo chất lƣợng dịch vụ của các tuyến là hoàn toàn khả thi.
Bên cạnh độ tin cậy, MPLS cũng quản lý mạng dễ dàng hơn. MPLS quản lý việc chuyển tin theo các luồng thông tin, các gói tin đƣợc xác định bằng giá trị của nhãn nên các thiết bị đo lƣu lƣợng mạng có thể dựa trên nhãn để phân loại gói tin. Lƣu lƣợng đi qua tuyến chuyển mạch nhãn (Label Switching Path) đƣợc giám sát dễ dàng bằng cách đo luồng thời gian thực RTFM (Real Time Flow Measurement). Bằng cách giám sát lƣu lƣợng tại các LSR, nghẽn lƣu lƣợng sẽ đƣợc phát hiện và vị trí xảy ra nghẽn lƣu lƣợng có thể đƣợc xác định nhanh chóng. Tuy nhiên, giám sát lƣu lƣợng theo phƣơng pháp này không đƣa ra đƣợc toàn bộ thông tin về chất lƣợng dịch vụ (nhƣ trễ từ điểm đầu đến điểm cuối của miền MPLS).
Trong trƣờng hợp một phần tử trên mạng bị lỗi, nếu sử dụng cơ chế khôi phục thực hiện ở lớp IP, việc khôi phục có thể mất vài giây. Khoảng thời gian đó là quá lớn đối với dịch vụ thời gian thực nhƣ VoIP, sẽ gây rớt cuộc gọi. Vì vậy, để
81
đảm bảo khôi phục mạng không ảnh hƣởng đến dịch vụ thời gian thực, MPLS có cơ chế tự khôi phục là Fast Reroute phù hợp yêu cầu của dịch vụ thời gian thực: thời gian khôi phục nhỏ hơn 50ms.
Hình 3-8: Cấu trúc miền MPLS a. Kỹ thuật lƣu lƣợng
Kỹ thuật lƣu lƣợng (TE- Traffic Engineering) là kỹ thuật điều khiển đƣờng truyền chứa lƣu lƣợng qua mạng. Mục đích để cải thiện việc sử dụng tài nguyên mạng, tránh trƣờng hợp một phần tử mạng bị nghẽn trong khi các phần tử khác chƣa đƣợc dùng hết. Ngoài ra, còn để đảm bảo đƣờng truyền có các thuộc tính nhất định, tài nguyên truyền dẫn có sẵn trên một đƣờng truyền cụ thể hay xác định luồng lƣu lƣợng nào đƣợc ƣu tiên lúc xảy ra tranh chấp tài nguyên.
MPLS-TE dùng đƣờng hầm TE (TE tunnel) hay đƣờng hầm điều khiển lƣu lƣợng để kiểm soát lƣu lƣợng trên đƣờng truyền đến một đích cụ thể. MPLS-TE dùng định tuyến động (autoroute) để tạo bảng định tuyến bằng LSP mà không cần thông tin đầy đủ của các tuyến lân cận (neighbor). MPLS-TE còn có khả năng dự trữ băng thông khi xây dựng các LSP này. Nói chung, phƣơng pháp này linh hoạt hơn kỹ thuật lƣu lƣợng chuyển tiếp chỉ dựa vào địa chỉ đích.
82
Hình 3-9: Mô hình mạng tham khảo
Xét 2 luồng lƣu lƣợng I-I‟ và II-II‟ vào R1 và ra R5. Có hai hƣớng có thể truyền lƣu lƣợng :
- R1-R2-R3-R5
- R1-R4-R5
Có hai cách để định tuyến:
- Sử dụng định tuyến tĩnh: lựa chọn hoặc là theo đƣờng R1-R2-R3-R5 hoặc đƣợc định tuyến theo đƣờng R1-R4-R5
- Sử dụng định tuyến động: Sử dụng một trong các giao thức định tuyến IGP nhƣ RIP, OSPF, IS-IS… Các giải pháp định tuyến này sẽ tìm đƣờng ngắn nhất dựa trên các bộ định tuyến đƣợc tự động cập nhật bằng cách trao đổi, thu thập thông tin định tuyến.
Trong hình trên, nếu áp dụng mô hình định tuyến OSPF, hai luồng lƣu lƣợng này sẽ đi theo tuyến R1-R2-R3-R5 nhƣ hình:
83
MPLS-TE dùng độ ƣu tiên của LSP (thuộc tính ƣu tiên) để đánh dấu các LSP quan trọng hơn và cho phép chúng giành tài nguyên từ các LSP khác (hay chiếm trƣớc LSP khác). MPLS-TE đƣa ra tám mức độ ƣu tiên từ 0 đến 7, với 0 là tốt nhất.
MPLS-TE còn quy định băng thông yêu cầu cho một LSP cụ thể, số chặng mà lƣu lƣợng đƣợc phép truyền qua và tính toán đƣờng truyền dựa trên CSPF (thuật toán ràng buộc tìm đƣờng ngắn nhất).
b. Giải quyết tắc nghẽn
Nhƣ đã đề cập ở chƣơng trƣớc, với sự phát triển mạnh mẽ của di động nhƣ hiện nay, hiện tƣợng tắc nghẽn rất dễ xảy ra. Do vậy giải quyết tắc nghẽn cũng là một trong các yếu tố quan trọng.
Traffic Engineering đề cập đến khả năng điều khiển của những luồng lƣu lƣợng trong mạng, với mục đích giảm thiểu tắc nghẽn và tạo ra mức sử dụng hiệu quả nhất cho các phƣơng tiện sẵn có. Lƣu lƣợng IP truyền thống định tuyến theo Hop by Hop cơ bản và theo IGP luôn sử dụng kỹ thuật đƣờng dẫn ngắn nhất để truyền lƣu lƣợng. Lƣu lƣợng đƣờng dẫn IP có thể không đạt tối ƣu vì nó phụ thuộc vào thông tin Link Metric tĩnh không cùng với bất kỳ một hiểu biết nào của tài nguyên mạng sẵn có hoặc các yêu cầu của lƣu lƣợng cần thiết để mang trên đƣờng dẫn đó. Sử dụng kỹ thuật đƣờng dẫn ngắn nhất có thể gây ra các vấn đề sau:
- Đƣờng dẫn ngắn nhất từ các tài nguyên khác nhau chồng lẫn lên một số link, gây ra tắc nghẽn trên các link đó.
- Lƣu lƣợng từ một nguồn đi tới một đích có thể vƣợt quá dung lƣợng của kỹ