Như được lưu ý ban đầu, dịch vụ end – to – end được xây dựng từ việc tạo chuỗi và phân tầng của phương thức từng chặng và edge – to –edge. Đối với nhà điều hành mạng họ tập trung vào khả năng edge – to –edge của mạng dưới sự điều khiển của họ, có một phạm vi của phương thức từng chặng có thể cho việc trộn lẫn hay cho sự hoà hợp với nhau. Trải qua nhiều năm, một số giải pháp đã xuốt hiện, mỗi một sự phản hồi khác nhau thiết lập một giả định và thoả hiệp chi tiết cụ thể cho CQS và khả năng định tuyến của router trong mạng.
Nhận xét đầu tiên và quan trọng nhất là nhà thiết kế bộ mặt mạng cân bằng giữa số lượng lớp lưu lượng được mang bởi mạng của họ và số phân loại lưu lượng mà kiến trúc CQS của router có thể điều khiển được. Một số giải pháp dựa vào sự phân phối kiến trúc edge – to –core, trong đó lõi là các router nhanh với khả năng CQS bị hạn chế và biên là các router chậm hơn nhưng với khả CQS tiên tiến hơn.
Nhận xét thứ hai là các thuật toán định tuyến đường dẫn ngắn nhất đang tồn tại trong mạng Internet không hoàn toàn tốt nhất cho các lớp lưu lượng khác nhau qua một hệ
thống router và liên kết tuỳ ý. Một phép đo đơn có thể không phù hợp cho tất cả các lưu lượng nằm trên một phần mạng riêng. Thêm vào đó, chính các mẫu chuyển tiếp dựa trên cơ sở đích gây khó khăn trong việc cưỡng bức các tập con của lưu lượng khả dụng vào đường dẫn không ngắn nhất, không theo quy ước qua một số đồ hình mạng cho trước.
3.3.1 Những mô hình biên tới lõi
Dù là trong phần cứng hay phần mềm việc thiết kế một kiến trúc CQS tốt nói chung là không đơn giản. Trong nhiều công cụ phần mềm, ngân quỹ xử lý chặt chẽ làm cho việc phân loại, quản lý hàng đợi và lập lịch khó được đưa ra mà mà không ảnh hưởng lớn trên toàn bộ đỉnh sự thực hiện. Công cụ phần cứng chỉ mới bắt đầu trở thành đề tài nghiên cứu và cho đến gần đây mới bẳt đầu có sự phát triển công cụ CQS cho một mạng IP mới.
Mô hình edge – to – core cho phép các router lõi thúc đẩy công cụ phần cứng (về tốc độ) trong khi đang rời bỏ những xử lý phức tạp (nhưng chậm hơn) trên cơ sở phần mềm của định tuyến biên. Các router biên có thể cho phép phân loại và sắp xếp một cách độc lập hàng trăm hoặc hàng nghìn lớp lưu lượng, trái lại các router lõi được thừa nhận là giới hạn việc điều khiển các hàng đợi.
Số lượng giới hạn tối đa của hàng đợi trong các router lõi dẫn tới một yêu cầu mới là các router biên có khả năng thông suốt ngoài sự bùng nổ của lưu lượng vào mạng.
Trong thảo luận trước về điều khiển QoS từng chặng, các lớp lưu lượng riêng được cho phép để hoàn thành điều không thể dự đoán trước trên sự giả định mà chúng ta có thể kết hợp một cách chính xác và sự sắp xếp lại chúng tại mọi điểm nghẽn có khả năng.
Nhiều lớp lưu lượng sẽ tự tìm sự liên kết vào các hàng đợi được chia sẻ trong router.
Khả năng của sự gây nhiễu lẫn nhau không thể dự đoán được là rất lớn trừ khi mạng sử dụng một số mức dự đoán trước khi lưu lượng tới được các router lõi. Giải pháp cho các router là điều khiển đặc tính thời gian của lớp lưu lượng riêng (tức là sự kết hợp các lớp lưu lượng đó) trước khi chúng đi vào lõi. Mô hình dịch vụ khác biệt của IETF là một ví dụ.
Sự định hình và kiểm soát
Tập trung chủ yếu của kiến trúc CQS là bảo vệ lưu lượng trong mỗi hàng đợi từ sự bùng nổ lưu lượng trong các hàng đợi khác. Trên cơ sở từng chặng, nó rõ ràng sự phù hợp trước với tất cả các lưu lượng nhạy cảm với QoS vào các hàng đợi riêng biệt, một bộ lập lịch cần đảm bảo chỉ trong trường hợp xấu về khoảng thời gian phục vụ (hay băng thông nhỏ nhất). Nếu khả năng dự phòng là khả dụng, chúng ta có thể mong đợi
phương thức hoạt động tốt của bộ lập lịch để phân phát khả năng cho các hàng đợi có gói chờ chuyển tiếp. Tuy nhiên thực tế này không phải được luôn luôn trình bày từ một phối cảnh mạng mở rộng.
Thông thường việc làm rỗng một hàng đợi nhanh bằng tốc độ kết nối cho phép có thể tăng sự bùng nổ nhận được bởi các router luồng xuống đầu xa. Thêm vào đó các nhà cung cấp dịch vụ có thể mong muốn tạo ra tốc độ cực đại để một khách hàng có thể gửi gói thông tin qua mạng. Nếu khách hàng thường xuyên nhận được băng thông tốt hơn cực tiểu được đảm bảo. Nếu khả năng dự phòng co lại, khách hàng sẽ nhận được sự hạn chế việc thực hiện edge – to – edge tới mức nhỏ nhất đựơc đảm bảo. Tuy nhiên khi khách hàng nhận thấy rằng các dịch vụ đã bị xuống cấp thì họ có thể than phiền. Việc quản lý sự mong đợi của khách hàng là một phần quan trọng trong công việc kinh doanh và mức độ ưu tiên là công cụ trên cơ sở công nghệ có thể được thực hiện.
Việc đặt giới hạn trên cho giá trị băng thông lớn nhất (hoặc khoảng thời gian nhỏ nhất giữa các gói) cho một lớp lưu lượng được gọi là “định hình lưu lượng’.
Queue (shaped class )
Queue (other )
Phân loại
Lập lịch
1 2 3 4
1 2 3 4
T T T
T giây cuối cùng giữa các mẫu
Hình 3.6: Những yêu cầu định hình lập lịch thời gian nhỏ nhất trên những router xác định
Một bộ lập lịch định hình lưu lượng được cấu hình để cung cấp cả thời gian phục vụ nhỏ nhất (thời gian giữa các lần lấy gói ra khỏi hàng đợi giống nhau) và cả thời gian phục vụ lớn nhất (để đảm bảo giới hạn trễ, hoặc băng thông nhỏ nhất). Các gói đến với thời gian giữa các gói ngắn hơn được cho bởi bộ lập lịch được xếp hàng cho đến khi truyền dẫn – san bằng đi nguồn gốc sự bùng nổ. Hình 3.6 biểu diễn một bộ lập lịch mà không lấy mẫu đỉnh hàng đợi thường xuyên quá một giá trị T giây. Không có tình trạng các gói đến được truyền một cách co cụm gần nhau. Chúng được truyền đi với khoảng cách giữa các gói ít nhất là T giây. Bộ lập lịch định hình đôi khi liên hệ đến cái “gáo
rò”, vì không có tình trạng các gói đến nhanh, chúng chỉ có thể rò ra ở một tốc độ cố định.
Định hình không phải là một chức năng thông thường được đưa vào trong các router nỗ lực tối đa, bởi vì chức năng này là sự tồn tại của một kiến trúc CQS thích hợp. Một giải pháp luân phiên đã từng được đưa vào một phương thức loại bỏ gói mà dễ vượt qua sự bùng nổ của một lớp lưu lượng. Khi quá nhiều gói đến trong một khoảng thời gian quá ngắn thì các gói hoàn toàn bị loại bỏ. Điều này được biết đến như là một sự kiểm soát.
Kiểm soát có thể thực hiện mà không cần các hàng đợi hay các bộ lập lịch, mặc dù nó thường cần một số dạng phân loại để phân biệt giữa các quy tắc kiểm soát được cải thiện trên các lớp lưu lượng khác nhau. Trong một dạng đơn giản nhất, mỗi lớp lưu lượng có một bộ đếm kết hợp. Bộ đếm tăng đều đặn T giây một lần và giảm bất cứ lúc nào một gói (thuộc lớp của bộ đếm) được chuyển tiếp. Nếu một gói được truyền dẫn khi bộ đếm bằng không thì gói bị loại bỏ. Khi không có gói được truyền thì bộ đếm tăng lên tới giới hạn cố định L. Kết quả là một luồng gói đang đến với khoảng thời gian trung bình giữa các gói là T giây (hoặc hơn) chuyển qua không gây ảnh hưởng. Tuy nhiên nếu bùng nổ làm cho số gói lớn hơn L đến trong thời gian ít hơn T giây thì bộ đếm trở về không và các gói bên ngoài bị loại bỏ. Giá trị của L ảnh hưởng đến khả năng bùng nổ của chức năng kiểm soát, và T thiết lập tốc độ thấp hơn lưu lượng đảm bảo. Thực tế phương pháp này là quan trọng để giảm sự bùng nổ lưu lượng đường xuống từ các router kiểm soát.
Lợi ích của kiểm soát là dựa vào điều được thừa nhận mà hầu hết bùng nổ lưu lượng bắt nguồn từ các ứng dụng sử dụng giao thức truyền dẫn end – to – end thích ứng như là TCP. Mất gói được thừa nhận để chỉ ra nghẽn tạm thời và TCP chống lại bằng cách giảm tốc độ tại nơi mà nó đưa gói vào mạng. Kiểm soát cho phép nhà điều hành mạng giả mạo sự tồn tại của nghẽn tạm thời cho một lớp lưu lượng đặc biệt trước khi nó thực sự bắt đầu xuất hiện xa hơn dọc đường dẫn của gói. Thậm chí nếu lớp lưu lượng không sử dụng một giao thức truyền dẫn thích ứng. Kiểm soát bảo vệ lượng dư của mạng bằng cách tiếp tục loại bỏ những gói vượt quá tham số cho phép.
Cả định hình và kiểm soát là những công cụ vô cùng hưu ích cho các nhà thiết kế mạng, người phải đối mặt với sự cân đối giữa số lượng lớp lưu lượng được tải bởi mạng của họ và số lớp lưu lượng mà kiến trúc CQS mạng của họ có thể điều khiển. Vấn đề cơ bản là các lớp lưu lượng riêng có thể được cho phép là không dự đoán trước được nếu chúng ta có thể kết hợp chúng một cách chính xác tại mọi điểm nghẽn có thể xuất hiện.
Nếu thiếu khả năng kết hợp chúng ta phải cố gắng cải thiện một vài mức ưu tiên có khả năng dự đoán trước tới điều khiển nghẽn có khả năng xuất hiện.
Marking & Recording
Một node kiểm soát có thể chọn duy nhất các đánh dấu (hơn là thải hồi chúng ngay lập tức) nếu chúng vượt quá một lượng bùng nổ. Các router xa hơn dọc đường truyền nhận ra các gói được đánh dấu này như là có quyền ưu tiên thấp hơn các gói không bị đánh dấu. Nếu nghẽn tạm thời bắt đầu đầy hàng đợi trong một router lõi đường xuống thì thuật toán quản lý hàng đợi có thể bắt đầu loại bỏ các gói bị đánh dấu trước khi nó bắt đầu loại bỏ các gói không bị đánh dấu.
Node kiểm soát truyền thông có thể thực hiện một thiết lập đảm bảo ngưỡng bùng nổ.
Nếu một sự bùng nổ gói vượt quá ngưỡng dưới, các gói đến sau được đánh dấu và truyền dẫn, nếu sự bùng nổ tiếp tục và vượt quá giới hạn trên, các gói sẽ bị loại bỏ. Một cách lần lượt các node kiểm soát có thể thực hiện nhiều mức tốc độ gói đến trung bình cho phép – một tốc độ thấp hơn các gói chuyển tiếp không đánh dấu, một khoảng tốc độ trung gian trong các gói được đánh dấu và chuyển tiếp và ngưỡng trên các gói bị loại bỏ.
Tác động trên lõi mạng mềm dẻo hơn có thể đạt được bằng cách kiểm soát đơn giản, bởi vì nhiều gói trong quá trình bùng nổ đã được đánh dấu thay vì bị loại bỏ. Ưu điểm của sơ đồ đó là trong sự vắng mặt của nghẽn mạng khác trong lõi, lớp lưu lượng đặc biệt này có thể giúp tăng thêm băng thông khả dụng.
Nhà thiết kế mạng lập kế hoạch trên việc sử dụng đánh dấu lưu lượng biên cũng cần lựa chọn một cách cẩn thận router lõi của họ. Điểm chính cần quan tâm là khả năng sắp xếp lại của các gói được đánh dấu liên quan tới các gói không được đánh dấu trong một lớp lưu lượng. Tình huống này có thể xảy ra nếu router lõi sử dụng hai hàng đợi riêng biệt để phân biệt giữa các gói đánh dấu và không đánh dấu trong cùng một lớp lưu lượng ( xem hình 3.7). Bởi vì các gói được đánh dấu có mức ưu tiên thấp hơn, một sự thực hiện có thể chọn kết quả quyền ưu tiên tương đối này bằng cách ấn định nhiều băng thông bộ lập lịch tới hàng đợi của các gói không được đánh dấu hơn hàng đợi được đánh dấu.
Một hệ quả là gói được đánh dấu đến trước một gói không được đánh dấu trên cùng lớp lưu lượng có thể tự tìm sự phân công để truyền dẫn sau các gói không bị đánh dấu.
Việc thừa nhận các gói được đánh dấu tạo ra tất cả các con đường tới đầu cuối khác.
Trong các mạng đánh dấu được dự định nhằm tăng khả năng loại bỏ gói, giải pháp là không quá khó. Các router lõi bắt đầu bỏ qua bộ đánh dấu kiểm soát các gói khi phân loại các gói vào hàng đợi, đảm bảo tất cả các gói trong một lớp lưu lượng được đặt trong một hàng đợi không kể quyền ưu tiên loại bỏ. Sau đó làm giảm ngưỡng loại bỏ gói cho hàng đợi đó trên cơ sở các gói được đánh dấu hay không.
Phân loại
Lập lịch Hàng đợi (không
đánh dấu) Hàng đợi (đánh
dấu) Không
đánh dấu Đánh dấu
Port M
Không
đánh dấu Đánh dấu
Hình 3.7 Hàng đợi thay đổi thứ tự sắp xếp lại cho những gói đã đánh dấu và không đánh dấu
3.3.2 Định tuyến biên- tới- biên
Một “cơ chế định tuyến đường dẫn ngắn nhất của Internet” được dựa trên việc thừa nhận rằng cấu hình mạng là ít khi cố định và phải tìm kiếm một cách linh động. Trong một số mạng thực tế mỗi router có thể có nhiều hơn một giao diện đầu ra mà qua đó nó có thể gửi gói. Nhiệm vụ của giao thức định tuyến là thiết lập một giao diện đơn qua đó gói phải được gửi đi. Để làm cho việc tính toán dễ dàng hơn việc lựa chọn giao diện phù hợp chủ yếu được đưa đến một thuật toán sử dụng duy nhất, một phép đo đơn để xác định đường dẫn ngắn nhất.
Tuy nhiên hai vấn đề nổi cộm đã xuất hiện với tiếp cận này khi tiến tới QoS cung cấp. Điều đáng bàn luận đầu tiên là một phép đo đơn có thể không thích hợp cho tất cả mọi lưu lượng nằm trên vùng đặc biệt của mạng. Điều thứ hai là mô hình chuyển tiếp dựa trên cơ sở đích tự gây khó khăn hơn trong việc bắt buộc tập con của lưu lượng khả dụng đi vào các đường dẫn ngắn nhất sau khi lựa chọn qua một vài đồ hình (topology) mạng cho trước.
Định tuyến trên cơ sở QoS
Giao thức định tuyến trên cơ sở QoS cố gắng tạo nhiều phép đo vào tài nguyên khi xây dựng bảng chuyển tiếp của mạng. Một thông số có thể được xem là một loại giá trị và mỗi kết nối (chặng) có một giá trị tương ứng. Giao thức định tuyến nỗ lực tìm kiếm những đường dẫn với tổng giá trị của tất cả các kết nối từ nguồn đến đích có thể là nhỏ nhất. Tuy nhiên giá trị này không thể là đại diện cần thiết cho tất cả các loại lưu lượng. Phải chăng nó
đại diện cho trễ của đường liên kết, băng thông, khả năng mất gói hoặc có thể là chi phí hiện tại cho việc gởi gói qua đường liên kết đó. Chọn lựa một trong số đó chúng ta sẽ có một số lựa chọn phù hợp.
Chẳng hạn, một mạng xem trễ là một thông số. Đường dẫn ngắn nhất lúc này phù hợp với các ứng dụng có yêu cầu thời gian thực chặt chẽ, nhưng chúng không đơn lẻ. Mạng cũng hoàn toàn có thể được sử dụng các ứng dụng dữ liệu bùng nổ truyền thống mà sự quan tâm tới nó ít hơn là trễ. Lưu lượng từ các ứng dụng khác này cũng đi theo các đường dẫn ngắn nhất với trễ nhỏ nhất, thêm tải trọng vào các router nỗ lực tối đa dọc theo đường dẫn. Một tác động không thuận lợi là lưu lượng bùng nổ chiếm cùng không gian hàng đợi được sử dụng bởi lưu lượng thời gian thực, sự tăng lên của jitter và trễ trung bình bởi tất cả các lưu lượng qua các router. Cách tiếp cận này cũng gây ảnh hưởng đến sự chính xác của giá trị trễ mà giao thức định tuyến sử dụng để quyết định đường dẫn ngắn nhất.
Định tuyến trên cơ sở QoS tạo nhiều cây đường dẫn ngắn nhất bao gồm đồ hình hiện thời của các router và các đường liên kết với mỗi cây sử dụng một tổ hợp tham số khác nhau như đơn vị kết nối. Mục tiêu là giảm thiểu sự cùng tồn tại không cần thiết trong router của lưu lượng với yêu cầu QoS mở rộng khác. Các gói với yêu cầu trễ nghiêm ngặt sau đó được chuyển tiếp bằng cách sử dụng cây được xây dựng với trễ như là một thông số. Các gói không yêu cầu thời gian thực có thể xây dựng cây theo kiểu khác ( chẳng hạn như giảm giá trị cuối cùng của đường dẫn tới mức cực tiểu).
Điều khiển đường dẫn tường minh
Các cấu hình nội bộ của nhiều mạng như vậy thì sẽ có nhiều đường dẫn để có thể đến hầu hết các điểm. Hạn chế chủ yếu của chuyển tiếp IP quy ước là cây đường dẫn ngắn nhất (thông số đơn) chỉ sử dụng một đường dẫn có khả năng chuyển tiếp một số đích cho trước. Khả năng giới hạn có thể xuất hiện của mạng cung cấp đầy đủ dịch vụ.
Sau khi tải trọng trung bình trên các router điểm nóng tăng lên thì khả năng mất gói ngẫu nhiên và jitter cũng tăng lên. Mặc dù với nhận xét rằng hầu như đối với các mạng chứa các router nỗ lực tối đa, nó cũng đúng (dù cấp thấp hơn) khi mạng bao gồm các router nhiều hàng đợi. Để chống lại vấn đề này, một nhà quản lý có hai sự lựa chọn:
- Nâng cấp router và đường kết nối để hoạt động nhanh hơn.
- Sử dụng cơ chế chuyển tiếp gói truyền thống cho phép lưu lượng tách các đường dẫn khác (một vài đường dẫn có thể chỉ ngắn bằng hay dài hơn đường dẫn tốt nhất tuỳ theo thông số chiếm ưu thế).