Dựa trên các đặc tính của lưu lượng được truyền tải, thực hiện phân loại các gói tin thành các nhóm riêng biệt mà có thể áp dụng các kỹ thuật QoS. Bằng việc phân loại gói, ta có thể phân chia lưu lượng truyền tải thành nhiều mức ưu tiên khác nhau hay nhiều lớp dịch vụ khác nhau.
Các phương thức phân loại gói trước đây bị giới hạn bởi số bít trong trường tiêu đề (header). Trong các phương thức gần đây đánh dấu gói kết hợp với phân loại gói cho phép ta có thể thiết lập giá trị trên các tiêu đề tại các lớp 2,3 hoặc có thể thiết lập trên tải trọng của gói.
Các router tại biên của mạng sử dụng chức năng phân loại gói để nhận dạng các gói thuộc về lớp lưu lượng nào trên mạng tuỳ theo một hoặc nhiều trường trong tiêu đề gói IP. Sau đó chức năng đánh dấu được sử dụng đểđánh dấu gói đó bằng cách thiết lập các bit trong trường IP Precedence hoặc trường DSCP (Differentiated Service Code Point).
3.1.1 Quyền ưu tiên IP
Trong mạng IP các gói được lưu chuyển từ nguồn đến đích với mức ưu tiên khác nhau. Để xác định IP Prececdence cho các gói tin người ta sử dụng 3 bits ToS, được mô tả như hình vẽ 3.1
Hình 3.1 Mô tả trường ToS trong gói IP
Trên cơ sở đó thiết lập các lớp dịch vụ khác nhau cho các gói tin. Với các lớp dịch vụ tùy theo các yêu cầu cụ thể mà thực hiện các phương pháp cấu hình tính năng QoS khác nhau để quản lý tắc nghẽn hay phân phối băng
thông. Chú ý rằng IP Precedence không phải là phương thức hàng đợi tuy
nhiên các phương thức hàng đợi như WFQ (Weighted Fair Queuing) hay
WRED (Weighted random early Drop/Detect) có thể sử dụng IP Precedence
để thiết lập thứ tựưu tiên cho các gói IP.
Bên cạnh đó thông qua việc thiết lập các mức ưu tiên cho các lưu lượng dữ
liệu đầu vào và tổ hợp với các đặc tính hàng đợi QoS để tạo ra các dịch vụ
khác nhau. Chúng ta cũng có thể sử dụng các đặc tính như định tuyến chính
sách (PBR - Policy-based routing) và tốc độ truy cập cam kết (CAR -
Committed Access Rate), để đặt thứ tự ưu tiên dựa trên mở rộng phân loại danh sách truy nhập. Ví dụ như chúng ta có thể gán thứ tự ưu tiên dựa trên
Như đã nói ở trên việc gán thứ tự ưu tiên cho các gói thông qua tổ hợp 3 bits ToS trong địa chỉ mào đầu IP để tạo ra các lớp dịch vụ khác nhau. Về lý thuyết với 3 bits ToS có thể phân chia thành 8 loại CoS khác nhau. Tuy nhiên chỉ phân 6 lớp dịch vụ tương ứng với 6 giá trị ToS, 2 giá trị còn lại được dành cho sử dụng trong thông tin nội bộ mạng.
Giá trị IP Precedence tương ứng với 3 bits ToS được quy định trong bảng 3-1
IP precedence value IP precedence name
0 Routine 1 Priority 2 Immediate 3 Flash 4 Flash-override 5 Critical 6 Internet 7 Network Bảng 3-1 Giá trị IP Precedence tương ứng với 3 bits ToS
Trong chế độ mặc định các phần mềm thường không thiết lập các gía trị
của IP Precedence. Như vậy để có thể sử dụng các phần tử mạng cần thực hiện gán giá trị IP Precedence trong trường tiêu đề (header).
Chú ý rằng các gói đến từ các mạng khác có thểđã được gán giá trị ưu tiên do đó nên thực hiện thiết lập lại giá trị ưu tiên cho tất cả các gói được gửi tới. Bằng cách điều khiển giá trị IP Precedence chúng ta có thể ngăn chặn các người dùng không mong muốn hay lựa chọn các dịch vụ thích hợp hơn.
PBR (Policy-based routing) cung cấp cơ chếđịnh tuyến linh hoạt cho việc
định tuyến các gói tin dựa trên chính sách định tuyến cho các luồng lưu lượng. PBR làm tăng khả năng điều khiển định tuyến bằng cách mở rộng hay bổ sung các đặc tính của các giao thức định tuyến. Bên cạnh đó PBR cho phép thiết lập các giá trị IP Precedence, ưu tiên cho loại dữ liệu nào đó trên tuyến dành riêng.
3.1.2.1 Đặc điểm của PBR
Chúng ta có thể sử dụng PBR như một phương án định tuyến. Ví dụ như
chúng ta có thể cho phép hay từ chối các luồng dữ liệu dựa trên cơ sở nhận dạng một dạng đặc biệt của điểm kết cuối, một giao thức ứng dụng hay dựa trên cơ sở kích cỡ của các gói tin.
Nói chung PBR cung cấp các đặc tính sau:
Phân loại lưu lượng dựa trên cơ sở mở rộng danh sách truy nhập (ACL – Access List), sau đó các ACL thiết lập tiêu chuẩn thích hợp.
Thiết lập giá trị IP Precedence, trên cơ sở đó thành lập các lớp dịch vụ
khác nhau trên mạng.
Định tuyến các gói tin tới tuyến xác định.
Định tuyến chính sách có thể dựa trên địa chỉ IP, các cổng (port), các giao thức hay kích cỡ của các gói tin. Đối với các bài toán định tuyến đơn giản ta có thể chỉ cần sử dụng một trong các đặc tính ở trên tuy nhiên với các phương án định tuyến phức tạp chúng ta cũng có thể sử dụng tất cả các đặc tính đó.
3.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động
Mỗi một PBR được xây dựng trên cơ sở thiết lập bảng định tuyến, các gói tin được chuyển đến trên một giao diện mà có sử dụng cơ chế PBR sẽ được chuyển tới bảng định tuyến từ đó xác định cơ chế chuyển tiếp đến đầu ra. Bảng định tuyến được xây dựng từ các trạng thái, các trạng thái này có thể
được xem như quyết định chấp nhận hay từ chối. Cụ thể chúng được quy định như sau:
Nếu các gói tin không phù hợp với bất cứ kỳ trạng thái nào của bảng
định tuyến thì tất cả các nguyên tắc định tuyến sẽđược áp dụng.
Nếu trạng thái từ chối thì các gói tin sẽđược gửi trở lại và cơ chếđịnh tuyến dựa trên cơ sở trạm đích (destination-based routting) sẽ được áp dụng.
3.2 Phân mảnh gói dữ liệu ( MLP - Multiling PPP)
Đối với các lưu lượng mà có sự tương tác qua lại như Telnet và VoIP dễ
làm tăng trễ khi mạng xử lý các gói có kích cỡ lớn như lưu chuyển các gói (FTP) LAN-to-LAN qua mạng WAN. Các gói bị trễ là rất đáng kể khi mà các gói có kích cỡ lớn này được cùng xếp hàng trong một hàng đợi sẽ dễ gây tắc nghẽn. Để giải quyết vấn đề này một phương thức phân mảnh được áp dụng nhằm chia chúng thành các gói có kích cơ nhỏ hơn sau đó mới được sắp xếp vào hàng đợi.
3.2.1 Các đặc tính phân mảnh dữ liệu
Nhưđã biết tiêu chuẩn trễ cho phép truyền các gói thời gian thực đặc biệt là các gói thoại khoảng 150 – 200ms. Với các kỹ thuật truyền bản tin dựa trên nền IP khó có thể đáp ứng các dịch vụ thoại do các vấn đề giới hạn băng thông, đặc biệt là các yêu cầu khắt khe độ trễ thoại cho phép khoảng 150ms.
Sự phân mảnh (LFI - Link Fragmentation and Interleaving) làm giảm
thiểu thời gian trễ trên các liên kết tốc độ thấp bằng cách “chặt” các gói tin cỡ lớn sau đó chèn các gói tin đòi hỏi trễ nhỏđể truyền đi.
LFI cung cấp công cụ cho phép, cắt, tổ hợp lại, sắp xếp bản tin thông qua nhiều liên kết dữ liệu logic. Các gói cỡ lớn được đóng gói đa liên kết và phân mảnh thành các gói có kích cỡ nhỏ hơn mà đủ thỏa mãn
các yêu cầu về trễ của lưu lượng có độ nhạy trễ. Các gói tin có độ nhạy trễ thấp sẽ không được đóng gói đa liên kết nhưng được chèn giữa các bản tin được phân mảnh.
MLP (Multiling PPP) cho phép các gói phân mảnh được gửi tới cùng
một trạm đầu xa tại cùng thời điểm thông qua nhiều liên kết điểm điểm. Tải trọng có thể được tính toán ở đầu vào, đầu ra hoặc cả hai để xác
định lưu lượng giữa các trạm xác định. MLP có thể phân phối băng thông theo yêu cầu để giảm thiểu trễ truyền dẫn trên các liên kết WAN.
3.2.2 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của LFI được mô tả trong hình 3.2
Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của LFI
Lưu lượng đến giao diện bao gồm các gói IP voice và các gói cỡ lớn, Khi chuyển đến giao diện đầu vào các gói sẽđược sắp xếp vào hàng đợi dựa trên
đặc tính phân loại của gói mỗi gói. Sau khi đã được xếp vào hàng đợi các gói lớn sẽ bị phân mảnh thành các gói nhỏ hơn và chuẩn bị xen kẽ với các gói thoại IP, các gói này sẽđược gửi đi theo lịch trình của cơ chế hàng đợi được cấu hình.
lại, LFI bổ sung các tiêu đề đa liên kết vào các gói phân mảnh và sắp xếp chúng vào hàng đợi để gửi đi.
3.3 Các giải thuật nén tải tin
Cùng với việc phân loại, phân mảnh và chèn gói tin, QoS hỗ trợ 3 phương thức nén tải tin khác nhau được sử dụng trên nền giao thức lớp 2, nhằm giảm kích cỡ gói tin. Hiệu quả sử dụng của các giải thuật này cũng rất khác nhau tuy nhiên rất hiệu dụng trong việc tiết kiệm tài nguyên, đặc biệt hiệu quả
trong việc sử dụng CPU cho router. Các giải thuật bao gồm:
STAC hoặc Stacker (STAC Electronics hoặc Hi/fn, Inc.)
MPPC (Microsoft Point – to – point Compression)
Predictor (Public domain algorithm).
3.3.1 Nguyên tắc hoạt động
Hai giải thuật STAC hay Stacker và MPPC được xây dựng dựa trên nền tảng giải thuật nén LZ (Lempel – Ziv). Giải thuật LZ (thỉnh thoảng còn được gọi là LZW) tìm kiếm trong byte truyền dữ liệu những chuỗi dư thừa và thay thế bằng các Token ngắn hơn (Các Token này được xây dựng từ trước và lập nên một thư viện). Thư viện này được xây dụng trong thời gian thực (real time), và không cần thiết thay đổi thư viện bởi vì thư viện này được xây dựng lại từ thu nhận dữ liệu trạm đầu xa. Cả hai giải thuật này cho kết quả nén rất tốt tuy nhiên chúng đòi hỏi tần suất CPU (Central Processing Unit) làm việc cao.
Giải thuật Predictor dựa trên việc đoán trước thứ tự byte tiếp theo trong luồng dữ liệu thông qua thư viện đơn giản, thư viện này được xây dựng lại từ
trạm gửi hoặc dữ liệu nén và không cần thay đổi trong mỗi chặng. Đây là một giải thuật đơn giản, rất nhanh và tần suất CPU làm việc không cao tuy nhiên tỉ
Quá trình thực hiện thuật toán nén được minh họa trong hình 3.3
FH cIP
FH IP
Hàng đợi Đầu ra Bộ chuyển tiếp Thuật toán nén
CPU thực hiện
thuật toán nén Kích thước các gói giảm, làm giảm thời gian truyền và nhiều gói có
thểđược truyền hơn
Hình 3.3 Minh họa quá trình thực hiện thuật toán nén
STAC, MPPC và Predictor là những thuật toán thường được sử dụng thực hiện nén tải tin tại lớp 2 trên các liên kết point – to – point giữa các Router.
STAC và MPPC đòi hỏi tần suất hoạt động của CPU cao nhưng có hiệu quả nén lớn (trong đó Stacker cho phép khả năng điều chỉnh). Tuy nhiên hai giải thuật này thường phát sinh trễ nên hay được sử dụng trên các liên kết tốc
độ thấp.
Predictor được xem như là khá đơn giản nó có thể triển khai trên các liên kết tốc độ cao, trễ và tần suất sử dụng CPU thấp tuy nhiên đòi hỏi bộ nhớ lớn và hiệu quả nén là thấp hơn so với 2 thủ tục kia.
Phạm vi sử dụng của các giải thuật được mô tả theo bảng 3-2 Giải thuật
Công nghệ
STAC Predictor MPPC Ghi chú
PPP a∗ a a Frame Relay a∗ r r ∗ Cũng được cung cấp bởi các Module nén phần cứng. HDLC a r r LAPB a a r X.25 a r r Bảng 3-2 Phạm vi sử dụng của các giải thuật nén
3.3.2 Nén tiêu đề
Tất các phương thức nén đều cùng chung một mục đích đó là hạn chế dư
thừa khi gửi dữ liệu trên môi trường truyền dẫn. Các trường thông tin tiêu đề
của các gói trong cùng một luồng không thay đổi nhiều trong suốt quá trình truyền, bởi vậy việc các thông tin này thực sự gây lãng phí băng thông. Như
vậy một vấn đềđặt ra là cần nén tiêu đề này để hạn chế băng thông.
Nén header là cách mà không truyền lặp lại thông tin tiêu đề của các gói trong suốt một phiên giao tiếp. Chú ý rằng nén tiêu đề thực hiện trên cơ sở
liên kết link – by – link, và không thể thực hiện qua nhiều router, bởi vì các router cần đầy đủ thông tin trường tiêu đề lớp 3 để có thể định tuyến tới hop kế tiếp.
Nén tiêu đềđược thực hiện trên các giao tiếp ở các kết nối lớp truyền dẫn. Khi các gói tin được chuyển đến thuật toán nén tiêu đề sẽ nén tiêu đề lớp 3 và lớp 4 vào một khung và thay thế chúng bởi 1 session. các gói sẽđược gửi tới
đầu ra hàng đợi và được truyền tới trạm đầu xa. Tại đầu xa quá trình giải nén
được thực hiện và chuyển tiếp tới quá trình xử lý tiếp theo.
Với việc nén tiêu đề các khung lớp 2 sẽ nhỏđi từđó thời gian truyền cũng giảm đi do đó giảm tổng trễ.
Thuật toán nén tiêu đề dược minh họa như 3.4
Tải tin cH FH Tải tin L4 (L5) IP FH Hàng đợi Đầu ra Bộ chuyển tiếp Thuật toán nén tiêu đề
Thuật toán nén tiêu đề giữ đường truyền không thay đổi Nén IP và các tiêu đề lớp cao hơn
Có 2 phương thức nén tiêu đềđó là:
Nén tiêu đề TCP
Nén tiêu đề RTP
3.3.2.1 Nén tiêu đề TCP
Phần lớn các ứng dụng Internet sử dụng TCP như một giao thức truyền tải và đa phần các thông tin tiêu đề TCP là cố định hoặc có thểđoán trước được
thông qua một phiên. Với việc nén TCP header (bao gồm IP 20 byte và TCP
20 byte header) có thể làm giảm tổng số cần truyền 40 byte còn 3-5 byte. Hiệu quả nén TCP minh họa theo như hình 3.5
Hình 3.5 Minh họa hiệu quả nén TCP Hiệu quả nén tiêu đề TCP được mô tả trong bảng 3-3
Kích cỡ gói IP Không nén tiêu đề Thời gian trễ (trên 64 kbps) Nén tiêu đề Thời gian trễ (trên 64 kbps) 10 82% 7 ms 50% 2 ms 50 48% 12 ms 17% 7 ms 100 32% 18 ms 9% 13 ms 500 8% 67 ms 2% 62 ms 1500 3% 189 ms 1% 184 ms Bảng 3-3 Hiệu quả nén tiêu đề TCP