Với kiến trỳc CQS cho phộp chia tỏch, khụng cho cỏc loại lưu lượng ảnh hưởng sang nhaụ Qua đú cũng thực hiện được sự ưu tiờn với cỏc loại lưu lượng cần chất lượng dịch vụ caọ Tuy nhiờn cần đặt ra những giới hạn để cỏc loại lưu lượng khụng được ưu tiờn vẫn cú được chất lượng dịch vụ tối thiểu cũng như đảm bảo băng thụng cho những loại được ưu tiờn khi tải trong mạng lớn.
Đặt ra cỏc giới hạn băng thụng cho một lớp lưu lượng được gọi là định hỡnh lưu lượng (traffic shaping). Đõy là một chức năng trong kiến trỳc CQS . Nú kết hợp với chức năng lập lịch (scheduling) để qui định mức tần xuất phục vụ với từng hàng đợi hoặc khoảng thời gian giữa hai lần lấy gúi ra ở cựng một hàng đợị Định hỡnh lưu lượng cung cấp một cơ chế điều khiển lưu lượng tại một giao diện cụ thể. Nú giới hạn lưu lượng thụng tin đi ra khỏi giao diện để trỏnh làm mạng bị tắc nghẽn bằng cỏc ràng buộc tốc độ thụng tin đi ra ở một tốc độ bit cụ thể đối với từng loại lưu lượng trỏnh trường hợp tốc độ bit tăng đột ngột.
Hỡnh 2. 3 Cơ chế traffic shaping trong router
Ta cú thể hỡnh dung cơ chế định hỡnh lưu lượng như khi chỳng ta dựng phễu để rút nước vào bỡnh hoặc chaị Dựng ca mỳc nước vào phễu theo từng đợt nhưng nước chảy vào chai từ từ, ổn định nờn ta dễ dàng kiểm soỏt được lượng nước trong chai để khụng bị tràn. Phễu cổ to thỡ nước chảy nhanh, cổ nhỏ thỡ chạy chậm. Nếu lỳc nào cũng cú nước trong phễu thỡ nước chảy vào trong chai là một dũng liờn tục với tốc độ ổn định
Hỡnh 2. 4 Minh hoạ cơ chế định hỡnh lưu lượng
1 2 3 4 Gúi đến . . . . Hàng đợi Cổng 1 Hàng được định hỡnh
Ít nhất Tgiõy giữa hai lần
Cổng M Schedule
1 2 3 4
2. 2. 2 Hợp đồng lưu lượng
Khi cú quỏ nhiều gúi đến trong một khoảng thời gian ngắn, thỡ việc huỷ gúi là khụng thể trỏnh khỏị Nhưng việc huỷ gúi phải tuõn theo một số hợp đồng (policy). Quỏ trỡnh này được gọi là traffic pilicing. Giống như định hỡnh lưu lượng, policing cũng là một cụng cụ giới hạn tốc độ bit (rate-limiting tool) tạm dịch là kiểm soỏt lưu lượng. Chớnh sỏch huỷ gúi cú thể là đơn giản huỷ những gúi mới đến khi khụng cũn chỗ trong hàng đợi (queue) hay phức tạp hơn là cú quan tõm tới thuộc tớnh của gúi bị huỷ, đặc điểm của loại lưu lượng .
2. 2. 3 Phõn mảnh hàng đợi
Đụi khi bộ lập lịch của một router thực hiện chốn lưu lượng một cỏch đơn giản tại mức gúi tin IP. Bộ lập lịch cú khả năng chốn lưu lượng của mỗi gúi cú thể được kết nối từ bờn ngoài một cỏch nhanh chúng vào cỏc hàng đợi khỏc nhaụ Với cỏc kết nối tốc độ cao(như cỏc kờnh SONET hoặc SDH tốc độ 155Mb/s) một gúi tin IP 1500 byte cú thể truyền dẫn trong khoảng nhỏ hơn 80ms. Điều này cho phộp bộ lập lịch chia băng thụng của liờn kết thành cỏc khe cú độ dài 80ms-một con số rất hợp lý, và nú cú thể tỏch 20ms cho cỏc kờnh cú tốc độ 622Mb/s(OC-12 hoặc STM-4). Dự sao, tại mức biờn của mạng Internet cũng cú nhiều kết nối được vận hành với tốc độ 1Mb/s hoặc chậm hơn. Gúi tin IP 1500 byte chiếm 94ms để truyền dẫn với tốc độ kết nối là 128Kb/s, và việc đúng khối kết nối được hoàn thành trong thời gian nàỵ Bất chấp mọi sự ảnh hưởng của biến động trễ, lưu lượng được phõn loại vào cỏc hàng đợi khỏc nhau, cỏc gúi đú sẽ chịu jitter là 94ms khi bộ lập lịch giữ cỏc gúi 1500 byte từ một hàng đợi khỏc. Rừ ràng điều này đặt ra một số vấn đề nếu cỏc ứng dụng bị ảnh hưởng bởi QoS được cung cấp bởi khớa cạnh xa hơn của cỏc kết nối truy nhập tốc độ thấp. Cỏch giải quyết cơ bản là tiến hành thờm cỏc đoạn của cỏc gúi IP tại cỏc mức kết nối trong một lớp IP riờng biệt. Kiến trỳc CQS được ứng dụng tại cỏc mức kết nối bằng cỏc mảnh hàng đợi chứa cỏc gúi lớn hơn, vỡ thể cho phộp bộ lập lịch cú thể chốn vào tại cỏc đường ranh giới của đoạn. Điều này được mụ tả như hỡnh vẽ: Hỡnh 2. 5 Phõn đoạn trước bộ lập lịch Cổng N Phõn loại(Classify) Đoạn hàng đợi Đoạn hàng đợi . . . Schedule Cụng tốc độ thấp Đoạn hàng đợi P H Â N M Ả N H G ể I . . . . Cổng 1
2. 3. Đỏnh dấu và sắp xếp lại
Mặc dự định hỡnh cú thể là một giải phỏp tinh vi để làm giảm sự bựng nổ lưu lượng nhưng cỏc chớnh sỏch đơn giản lại là một cụng cụ khụng nhạy bộn. Một số giỏ trị thay đổi được đưa ra cú thể làm giảm hiệu quả của chớnh sỏch định tuyến ở router biờn. Chớnh sỏch tại mỗi node cú thể được lựa chọn chỉ để đỏnh dấu cỏc gúi (đỳng hơn là loại bỏ chỳng ngay lập tức) nếu chỳng vượt quỏ ngưỡng tràn. Cỏc router tiếp theo sẽ thừa nhận rằng cỏc gúi đó bị đỏnh dấu và chỳng cú độ ưu tiờn thấp hơn so với cỏc gúi khụng bị đỏnh dấụ Nếu tắc nghẽn tạm thời làm đầy cỏc hàng đợi trong router lừi, thuật toỏn quản lý hàng đợi cú thể bắt đầu tỏch cỏc gúi đó bị đỏnh dấu trước khi tỏch cỏc gúi khụng bị đỏnh dấụ Khi thờm thiết bị lọc, cỏc chớnh sỏch ở node gốc cú thể sẽ bổ sung thờm ngưỡng bựng nổ kộp (một ngưỡng cao và một ngưỡng thấp), nếu một gúi bựng nổ vượt quỏ ngưỡng thấp, cỏc gúi đến sau bị đỏnh dấu và được truyền đi, nếu bựng nổ tiếp tục và vượt quỏ ngưỡng bựng nổ cao cỏc gúi sẽ bị tỏch khỏi hàng đợị Chớnh sỏch tại cỏc node phải bổ sung cỏc mức của tốc độ gúi đến trung bỡnh “cho phộp”-tốc độ này thấp hơn tốc độ của cỏc gúi đó được xỏc định là khụng bị đỏnh dấu và cao hơn ngưỡng mà cỏc gúi cú thể bị tỏch.
Nhiều thuật toỏn cú thể được đưa ra để cung cấp cỏc mức được đỏnh dấu và tớnh toỏn giỏ trị ngưỡng. Dự sao người thiết kế mạng đặt ra kế hoạch sử dụng lưu lượng bị đỏnh dấu ở biờn cũng cần cẩn thận khi lựa chọn cỏc router lừị Mối quan tõm chớnh là khả năng sắp xếp lại cỏc gúi bị đỏnh dấu và khụng bị đỏnh dấu trong lớp lưu lượng . Giải phỏp này cú thể xảy ra nếu router lừi sử dụng hai hàng đợi riờng biệt cho cỏc gúi bị đỏnh dấu và cỏc gúi khụng bị đỏnh dấụ Điều này được mụ tả như trong hỡnh vẽ :
Hỡnh2. 6 Cỏc hàng đợi cho cỏc gúi đỏnh dấu và khụng đỏnh dấu
Vỡ cỏc gúi bị đỏnh dấu cú độ ưu tiờn thấp nờn khi thực hiện phải lựa chọn để đảm bảo độ ưu tiờn bằng cỏch ấn định lập lịch băng thụng cho cỏc hàng đợi của cỏc gúi bị đỏnh dấu và khụng bị đỏnh dấụ Hậu quả là cỏc gúi bị đỏnh dấu đến trước cỏc gúi khụng bị đỏnh dấu cú thể tỡm thấy bộ lập lịch của nú để truyền dẫn trước cỏc gúi khụng bị đỏnh
Schedule Cổng M Hàng đợi(bị đỏnh dấu) Hàng đợi(ko đỏnh dấu) Phõn loại Cổng N
Ko đỏnh dấu Đỏnh dấu Đỏnh dấu Ko đỏnh dấu
dấụ . Cỏc gúi bị đỏnh dấu tạo thành tất cả cỏc đường khỏc tới điểm cuối và bờn nhận cú thể nhận được cỏc gúi khụng hợp lệ. Mặc dự IP khụng thực hiện ngăn ngừa cỏc gúi sắp xếp lại trờn mạng, nhưng điều này cú thể bỏ qua vỡ hầu hết cỏc giao thức xuyờn suốt khụng thể thực hiện bằng tay trong trường hợp này một cỏch hiệu quả . Trong mạng việc đỏnh dấu được mong đợi là sẽ làm tăng thờm cỏc gúi cú thể bị tỏch khỏi hàng, giải phỏp này cũng rất khú khăn. Cỏc router lừi ban đầu khụng để ý đến chớnh sỏch xử lý gúi khi phõn loại cỏc gúi vào cỏc hàng đợi, đảm bảo tất cả cỏc gúi trong lớp lưu lượng đều được đặt vào một hàng đợi bất chấp cả quyền ưu tiờn tỏch gúị Ngưỡng tỏch gúi của mỗi hàng đợi được xỏc định trờn cơ sở gúi bị đỏnh dấu hoặc khụng. Thuật toỏn tỏch gúi của cỏc router lừi vỡ thế hoạt động linh hoạt đối với cỏc gúi bị đỏnh dấu, dành được quyền xử lý tại mức biờn.
2. 4. Cỏc ứng dụng của kiến trỳc CQS
Để định hướng cỏc gúi qua cỏc hop tiếp theo một cỏch thớch hợp cỏc router phải bổ sung thờm bộ phõn loại, hàng đợi và lập lịch. Kiến trỳc CQS cung cấp cỏc đặc điểm định hướng khỏc biệt đú. Thờm vào đú, cỏc kết nối cần cú phần dự đoỏn QoS của mỡnh phự hợp với việc cung cấp của cỏc router thực tế. Trong phần 3. 1 này sẽ giới thiệu về một router cú QoS và kiến trỳc CQS (router này được gọi là router nguồn), việc xõy dựng cỏc dịch vụ end-to-end vớ dụ như DiffServ và IntServ.
2. 4. 1. Router nguồn
Một router nguồn chỉ cú một vài khối chức năng cơ bản sau:
• Cỏc giao diện
• Khối định hướng
• Khối quản lý
Hỡnh 2. 7 Router nguồn cho mạng IP Best Effort
Input Input Input Out put Input Out put Cập nhật bản tin từ cỏc router khỏc Output Output Khối định hướng Khối quản lý Tập hợp bản tin từ cỏc router khỏc
Khi giao diện đầu vào chấp nhận cỏc gúi từ cỏc router khỏc, và (dựa trờn địa chỉ IP của mỗi gúi) khối định hướng chuyển cỏc gúi tới giao diện đầu vào phự hợp. Sau đú mỗi giao diện sử dụng cỏc cơ cấu kết nối đặc trưng để truyền dẫn gúi theo đường truyền dẫn tới router tiếp theo (hoặc host). Khi router tin chắc rằng vựng tắc nghẽn tăng thờm một cỏch khụng thớch hợp, cỏc gúi cú thể bị tỏch hoặc bị đỏnh dấụ Bộ xử lý cỏc gúi trờn của khối định hướng (lựa chọn giao diện đầu vào và đối phú với việc tắc nghẽn) được điều khiển bởi khối quản lý.
Trong hỡnh vẽ trờn, mỗi router cú một khối xử lý trung tõm CPU để xử lý tất cả cỏc chức năng định hướng gúi và quản lý. Trong cỏc router xương sống cú độ thực thi cao, khối định hướng được phõn phối thành cỏc thẻ kết nối nhờ một cơ cấu chuyển mạch tốc độ cao hoặc một bản nối đa năng. Tuy nhiờn tất cả cỏc router cú một chuỗi cỏc bước mà cỏc gúi phải qua khi đó được xử lý.
Ngày nay QoS đó là một vấn đề rất quan trọng, vỡ thế khi cỏc router gửi cỏc gúi thỡ khối xử lý định hướng cần phải tớnh toỏn cỏc giỏ trị cần thiết. Nhỡn chung một gúi khi truyền đi phải qua ba giai đoạn chớnh sau:
• Phõn loại và truy tỡm FBI (tạo định dạng gúi tại giao diện đầu vào). FBI (Forwarding Information Base) là một bảng truy tỡm thụng tin quyết định sự định hướng của một router (để gửi cỏc gúi). Với mỗi địa chỉ IP, việc tỡm một tiền tố dài nhất phự hợp được thực hiện qua FIB. Nếu một giỏ trị phự hợp được tỡm thấy, đầu vào tương ứng sẽ cho biết khối định hướng mà giao diện đầu ra cú thể nhận cỏc gúi; nếu cỏc giỏ trị phự hợp khụng được tỡm thấy, gúi đú sẽ bị tỏch. Nội dung của FBI phản ỏnh trạng thỏi hiện tại của cỏc topo IP võy quanh cỏc router như việc xỏc định bởi cỏc giao thức định tuyến IP vớ dụ OSPF (Open Shortest Path First)-giao thức tỡm đường dẫn đầu tiờn ngắn nhất hoặc BGP4 (Border Gateway Protocol version 4)-giao thức cổng biờn version 4 đang chạy trờn khối quản lý.
• Chớnh sỏch và đỏnh dấu (tỏc động ngược lại nếu gúi khụng đến được khung thời gian thớch hợp)
• Quản lý hàng đợi và lập lịch (để định hướng cỏc gúi theo cỏc qui tắc định hỡnh tuyến hoặc định hỡnh lưu lượng hoặc tỏch gúi theo cỏc qui tắc điều khiển tắc nghẽn)
Giai đoạn phõn loại cỏc gúi tạo thành một khối cho việc xử lý cỏc gúi đến sau của cỏc router. Mặc dự, hầu hết cỏc khối được sử dụng để tạo thời gian xử lý riờng biệt (chớnh sỏch, đỏnh dấu, quản lý hàng đợi và lập lịch), một vài khối thờm vào cú thể được sử dụng để sửa đổi quyết định định hướng. Vớ dụ, một router tiờn tiến phải duy trỡ được cỏc FIB (mụ tả cỏc cõy cú đường đi ngắn nhất trờn cơ sở cỏc ma trận khỏc nhau) và lựa chọn chỳng nhờ việc sử dụng thụng tin khỏc trong phần tiờu đề gúi (vớ dụ địa chỉ nguồn
của gúi). Hay ớt nhất cũng là đúng một quan hệ thường tồn tại giữa một khối của gúi (được thiết lập qua bộ phõn loại) và “lớp” của nú (như đó thấy trờn cơ sở end-to-end). Hỡnh vẽ sau phản ỏnh đơn giản rằng tắc nghẽn sẽ chắc chắn chỉ xảy ra tại giao diện đầu vàọ Kiến trỳc CQS được yờu cầu tại tất cả cỏc điểm tắc nghẽn, trong một mạng hoặc trong một router. Kiến trỳc của một router cũng cú thể cú ở bờn trong cỏc điểm tắc nghẽn (vớ dụ tại đầu vào của khối chuyển mạch hoặc tại bảng nối đa năng) và cũng cung cấp cỏc hàng đợi và cỏc bộ lập lịch khỏc nhau cho tất cả cỏc điểm tắc nghẽn đú.
Cỏc đại lý router cung cấp cỏc sản phẩm khỏc nhau của họ trờn cơ sở cạnh tranh giỏ cả. Cỏc router Best Effort đầu tiờn sẽ tỡm thụng tin trờn FIB đó gõy ra hiện tượng nghẽn cổ chaị Dự sao, trong những năm gần đõy, cỏc thuật toỏn cho việc tra cứu thụng tin trờn FIB đó phỏt triển quỏ nhanh với hàng triệu thụng tin tra cứu trong một giõỵ
Hỡnh 2. 8 Phõn loại, quản lý hàng đợi và lập lịch cho Per-hop
2. 4. 2. Cỏc dịch vụ ứng dụng
2. 4. 2. 1 Dịch vụ Best Effort
Đõy là kiểu mạng hiện hành đang được sử dụng. Hầu hết cỏc ứng dụng dữ liệu đều được vận hành theo cỏch nàỵ Chỳng đợi dữ liệu đến và xử lý chỳng càng sớm càng tốt ngay khi nhận được. Lớp dịch vụ này sẽ hỗ trợ thờm cho lớp lưu lượng thời gian thực. Cỏc ứng dụng cú thể lựa chọn sử dụng một trong cỏc lớp dịch vụ đú, và khi chỳng thấy khụng thể chấp nhận được độ trễ đú thỡ cú thể sử dụng một trong cỏc lớp dịch vụ khỏc. Lớp dịch vụ best effort thỡ khụng cú TSpec hoặc RSpec, khụng cú đảm bảo từ mạng và mạng khụng thực hiện bất kỡ điều khiển cấp phộp nàọ Cỏc mạng kiểu này khụng cung cấp bất kỡ một tớnh năng đặc biệt nào để khụi phục lại cỏc gúi bị mất hoặc bị hỏng. Cỏc dịch cụ được cung cấp bởi cỏc hệ thống đầu cuốị
Cỏcbảng định hướng FIB FIB FIB in put out put IP payload IP header Chớnh sỏch và đỏnh dấu Khối chuyển mạch Quản lý hàngđợi, lập lịch Phõn loại gúi
Trong chồng giao thức TCP/IP thỡ TCP cung cấp cỏc dịch vụ đảm bảo trong khi IP cung cấp kiểu truyền Best effort (khụng cú đảm bảo), nú sẽ cố gắng truyền cỏc gúi đến đớch nhưng khụng cú chức năng khụi phục lại cỏc gúi bị mất hay truyền saị Bộ giao thức Internet trước đõy chỉ bao gồm giao thức TCP/IP. Trong quỏ trỡnh phỏt triển thỡ cỏc nhà thiết kế đó nhận ra tầm quan trọng của thời gian truyền hơn là độ tin cậy truyền. Núi cỏch khỏc là quan tõm tới tốc độ hơn là việc khụi phục cỏc gúị Trong kiểu truyền voice, video thời gian thực thỡ một số gúớ bị mất cú thể bỏ qua được bởi việc khụi phục lại cú thể tạo ra phần tiờu đề quỏ lớn làm giảm hiệu năng của mạng. Để cung cấp loại lưu lượng thỡ TCP đó được tổ chức lại trong TCP, IP, UDP. Cỏc dịch vụ chuyển gúi và đỏnh địa chỉ cơ bản trong lớp mạng được thực hiện bởi IP. TCP, UDP nằm ở lớp truyền tải, phớa trờn của IP. Tất cả đều sử dụng dịch vụ của IP, UDP là một phiờn bản của TCP chấp nhận cỏc dịch vụ Best effort của IP. Cỏc ứng dụng cú thể sử dụng UDP khi khụng cần cỏc dịch vụ của TCP. Đối với cỏc dịch vụ Best effort việc loại bỏ cỏc gúi cú thể chấp nhõn được do việc khụi phục được xử lý bởi cỏc dịch vụ khỏc.
Hỡnh 2. 9 Chức năng của cỏc tầng trong mạng Best Effort
Trong lớp vật lý hoặc lớp mạng cỏc Frame cú thể bị loại bỏ, trong lớp mạng cỏc router bị tắc nghẽn cú thể loại bỏ cỏc gúị
TCP là một dịch vụ truyền dữ liệu tin cậy được cỏc hệ thống đầu cuối sử dụng để khụi phục lại cỏc gúi đó bị loại bỏ trong mạng trong trường hợp cú tắc nghẽn xảy ra, hay bị loại bỏ bởi chớnh nú khi bộ đệm bị đầỵ Trong mạng cỏc gúi cũng cú thể bị loại bỏ nhằm mục đớch bỏo hiệu tắc nghẽn cho phớa người gửi biết. Khi cú gúi bị mất trong