QoS cơ bản bao gồm 3 phần chính:
Định dạng QoS và kĩ thuật đánh dấu cho phép phối hợp QoS từ điểm đầu tới điểm cuối giữa từng thành phần mạng.
QoS trong từng thành phần mạng đơn(các công cụ hàng đợi định dạng, lập lịch, định dạng lưu lượng)
Cách giải quyết, điều khiển QoS, các chức năng tính toán để điều khiển và giám sát lưu lượng đầu cuối qua mạng.
Sự nhận dạng và đánh dấu được thực hiện thông qua việc phân loại và sự dành riêng.
Hình 2. 1: Sự phát triển của QoS
Hình 2. 2: Mô hình điều khiển QoS
Để cung cấp dịch vụ ưu tiên cho một loại lưu lượng việc đầu tiên là phải định dạng nó. Tiếp theo, các gói có thể được hoặc không được đánh dấu. Có hai nhiệm vụ thực hiện khi phân loại . Nếu gói đã được nhận dạng nhưng không được đánh
dấu, bộ phân loại sẽ xác định đó là một per-hop cơ sở. Và bộ phân loại chỉ xử lý tại đó mà không cho qua các router tiếp theo. Điều này xảy ra với hàng đợi ưu tiên PQ (Priority Queuing ) và hàng đợi khách CQ(Custom Queuing). Với mạng diện rộng khi các gói được đánh dấu thì các bit trong trường ưu tiên IP có thể được thiết lập. Phương pháp định dạnh luồng bao gồm các bảng điều khiển truy nhập ACLs (Access Control Lists), chính sách định tuyến cơ sở, tốc độ truy nhập cam kết CAR(Committed Access Rate), và xác nhận ứng dụng mạng cơ sở NBAR (Network-Base Application Recognition).
QoS trong một thiết bị mạng
Bao gồm :Quản lý tắc nghẽn, quản lý hàng đợi, hiệu suất kết nối và các công cụ định hình/xử lý cung cấp QoS trong một thiết bị mạng.
Quản lý tắc nghẽn: Do sự bùng nổ tự nhiên của lưu lượng thoại/video/dữ liệu, nên vài luồng lưu lượng sẽ vượt quá tốc độ của một liên kết. Tại điểm này, các router sẽ làm gì? Sẽ tạo một bộ đệm trong hàng đợi và cho phép gói đầu tiên vào sẽ ra đầu tiên? Hay là sẽ đặt các gói vào các hàng đợi khác nhau. Công cụ quản lý tắc nghẽn bao gồm hàng đợi ưu tiên PQ (Priority Queuing), hàng đợi khách CQ (Custom Queuing), hàng đợi hợp lý theo trọng số WFQ (Weighted Fair Queuing) và hàng đợi hợp lý theo trọng số dựa trên cơ sở lớp CBWFQ (Class-Base Weighted Fair Queuing).
Quản lý hàng đợi: Do các hàng đợi không có kích thước vô hạn nên chúng có thể bị đầy và tràn. Khi hàng đợi đầy, các gói thêm vào không được đặt trong hàng đợi và sẽ bị đẩy ra ngoài. Đó là hiện tượng “tail drop”- “rớt đuôi” (tức là các gói cuối sẽ bị đẩy ra từng gói một). Vấn đề xảy ra với hiện tượng “tail drop” là các router không thể ngăn chặn các gói rơi ra ngoài (kể cả các gói có độ ưu tiên cao). Vì thế cần giải quyết hai vấn đề sau:
Thử tạo một hàng đợi và đảm bảo là nó không bị đầy, ở hàng đợi đó chứa các gói có độ ưu tiên cao.
Thiết lập tiêu chuẩn đối với các gói bị rơi ra ngoài:các gói có độ ưu tiên thấp sẽ bị đẩy ra ngoài trước các gói có độ ưu tiên cao.
Thuật toán WRED(Weighted Early Random Detect)-phát hiện sớm ngẫu nhiên theo trọng số có thể thực hiện được cả hai điều trên.
Hiệu suất liên kết: Nhiều liên kết tốc độ thấp đã đặt ra một vấn đề đối với các gói nhỏ nhất. Ví dụ, thời gian trễ của một buổi phát thanh của một gói 1500 byte, tốc độ 56kb/s là 214ms (Kích thước gói là 1500*8 bit =12000 bit, tốc độ đường dây 56000 bps nên kết quả là 12000bit/56000=214 ms). Nếu một gói thoại được đặt trước gói lớn thì trễ của gói thoại có thể đã vượt quá so với các gói ở phía trái router. Các gói lớn sẽ được phân mảnh thành các gói nhỏ và xếp xen với các gói thoại. Việc ghép xen này cũng quan trọng như việc phân đoạn.
Chính sách và định hình lưu lượng: Định hình được sử dụng để tạo một luồng lưu lượng mà nó hạn chế khả năng của băng thông. Điều này được sử dụng nhiều lần khi tràn lưu lượng. Ví dụ, nhiều topo mạng sử dụng Frame Relay trong một thiết kế hub-and-spoke. Trong trường hợp này, vị trí trung tâm thường có kết nối với băng thông cao(say, T1), trong khi các vị trí tách biệt có kết nối với băng thông thấp (say, 384Kbps). Vì thế, lưu lượng từ vị trí trung tâm tràn sang kết nối với băng thông thấp tại điểm cuối khác. Định hình là một phương pháp hoàn chỉnh xác định lưu lượng gần 384 Kbps để ngăn chặn tràn tại các kết nối tách biệt. Tốc độ định dạng lưu lượng là tốc độ truyền dẫn ở bộ đệm để duy trì tốc độ định dạng đó. Chính sách cũng tương tự như định hình nhưng khác ở một điểm rất quan trọng: Tốc độ định dạng lưu lượng vượt quá không phải ở bộ đệm (và thường là nó bị loại bỏ).
Các mức QoS
Best-effort Service: Là các dịch vụ không cần có một sự bảo đảm nào về chất lượng dịch vụ (độ trễ, jitter…).
Differentiated Service (còn gọi là soft QoS ): Một vài lưu lượng của dịch vụ được ưu tiên hơn những luồng lưu lượng còn lại (Được xủ lý nhanh hơn, băng thông trung bình nhiều hơn, tỷ lệ mất gói ít hơn…). Nó được cung cấp bởi bộ phân loại lưu lượng và sử dụng các công cụ của QoS như PQ, CQ, WFQ và WRED
Guaranteed Service (Còn được gọi là hard QoS ): những dịch vụ được đảm bảo tuyệt đối về tài nguyên mạng dành cho nó. Nó được cung cấp bởi các giao thức RSVP và CBWFQ.
Ba mức đó được mô tả trong hình vẽ sau:
Hình 2. 3: Các mức QoS
Hợp đồng QoS vạch ra mong muốn thực hiện nhiệm vụ đảm bảo chất lượng dịch vụ theo một kế hoạch cụ thể và thông qua hệ thống báo hiệu QoS để ra lệnh cho các cơ chế chấp hành tại các nút mạng thực hiện nhiệm vụ đó. Trong mạng IP truyền thống chỉ cung cấp chất lượng dịch vụ ở mức “best-effort”, tức là mức “nỗ lực tối đa” mà không có bất kỳ một sự cam kết hay ràng buộc nào. Các gói được chuyển từ điểm này tới điểm khác không có bất kì một sự đảm bảo nào về băng thông hay thời gian trễ tối thiểu. Với mô hình lưu lượng “best-effort”, tất cả các yêu
cầu của người sử dụng có cùng một ưu tiên và được xử lý kế tiếp nhau theo kiểu ai đến trước thì phục vụ trước [13]. Không có khả năng dành riêng băng thông cho những kết nối cụ thể hay làm tăng độ ưu tiên cho những yêu cầu đặc biệt. Trong đó mức jitter và tỷ lệ mất gói rất thất thường. Một mô hình như vậy chỉ phù hợp với các ứng dụng truyền thống như WWW, FTP, hay Telnet…
Tuy nhiên, với những ứng dụng thời gian thực như voice, audio hay video, các dịch vụ mới như IP VPN, hay khi người sử dụng thực hiện một tác vụ quan trọng liên quan tới thương mại điện tử (e-commerce) thì khi đó mạng bắt buộc phải cung cấp những dịch vụ tin cậy. Một số loại lưu lượng cần chất lượng dịch vụ cao hơn các loại khác. Cùng với sự phát triển rất nhanh chóng của Internet hiện tại cũng như tương lai làm cho nhu cầu luôn vượt quá khả năng đáp ứng. Do đó, mở rộng băng thông không phải là giải pháp giải quyết mọi vấn đề của mạng.