2.2.1 Khái niệm QoS
Ngày nay các ứng dụng thường được phát triển trong môi trường mạng hỗn hợp có sử dụng nhiều chủng loại công nghệ rất khác nhau. Trong môi trường mạng như vậy, một đặc điểm nổi bật là chất lượng dịch vụ của các phần mạng khác nhau không hoàn toàn giống nhau. Mặt khác, các ứng dụng đa phương tiện phân tán chạy trên môi trường mạng như vậy lại có nhu cầu khắt khe về chất lượng dịch vụ. Một hệ thống đầu cuối có thể chạy đồng thời nhiều ứng dụng và các ứng dụng này cũng có yêu cầu rất khác nhau về mức chất lượng dịch vụ. Để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho nhiều ứng dụng cùng chạy đồng thời trên một hệ thống đầu cuối, cùng chia sẻ và cạnh tranh tài nguyên hữu hạn của hệ thống và mạng, vấn đề đặt ra là cần có kiến trúc và cơ chế điều khiển thích nghi QoS theo ứng dụng để có thể vừa đáp ứng được yêu cầu chung về chất lượng dịch vụ của tất cả các ứng dụng, vừa có khả năng điều khiển thích nghi QoS cho từng ứng dụng cụ thể. Điều này vẫn đang được quan tâm nghiên cứu.
Như vậy trước hết, QoS là sự đảm bảo hiệu suất dịch vụ cho một luồng dữ liệu từ nguồn đến đích, tuy nhiên không được vượt quá khả năng thực tế của phương tiện truyền dẫn.
Các yếu tố sau đây được yêu cầu để thực hiện QoS trên mạng:
QoS performance metrics: QoS là một cơ chế để đảm bảo hiệu suất của mạng, được định nghĩa bởi một tập hợp các metric kết hợp với mỗi luồng dữ liệu. Ví dụ về các metric hiệu suất là độ trễ, thông lượng, độ biến động và sự mất gói dữ liệu.
Request và grant: Yêu cầu và cấp phát, điều này cũng được biết đến như điều khiển nhập (admission control). Trong trường hợp của WiMAX, BS là điểm điều khiển trung tâm. Một SS yêu cầu một kết nối với tham số QoS nào đó. Nếu mạng không đủ nguồn lực, yêu cầu sẽ bị từ chối. Nếu mạng đã đủ nguồn lực, các BS sẽ kiểm tra nếu SS được phép sử dụng tài nguyên. Sau khi cho phép, các BS sẽ đảm bảo các dịch vụ trong suốt quá trình kết nối.
Traffic shaping: Đối với một gói dữ liệu gửi đến, các thiết bị mạng cần xác định cách phân loại các gói dữ liệu như thế nào và liệu có thể
gửi nó được không. Nếu việc phân phát gói dữ liệu không được bảo đảm và mạng bị tắc nghẽn, gói dữ liệu có thể bị bỏ đi. Nếu không, các gói dữ liệu được đưa vào một hàng đợi ưu tiên và đợi thiết lập thứ tự phân phát để xác định thứ tự phân phát của mình. Các tiêu chuẩn IEEE 802.16 không yêu cầu "traffic shaping" như giao diện không gian sẽ không bỏ đi các gói dữ liệu.
Chính sách lập lịch (Scheduling policy): Một thiết bị sử dụng QoS có nhiều hàng đợi ưu tiên cho các lớp khác nhau của dịch vụ. Chính sách lập lịch được dùng để xác định cách xử lý các gói trong hàng đợi ưu tiên như thế nào và khi nào. Một chính sách lập lịch có thể xử lý các gói trong mỗi hàng đợi ưu tiên và phân bổ nguồn lực nhiều hơn cho hàng đợi ưu tiên cao hơn. Chính sách lập lịch củng có thể thực hiện xử lý các gói trong một hàng đợi ưu tiên thấp hơn, chỉ khi tất cả các hàng đợi ưu tiên cao trống.
QoS trong mạng chuyển mạch
Trong một mạng chuyển mạch, mỗi luồng dữ liệu có một kết nối chuyên dụng từ nguồn đến đích. Như khi không có sự cạnh tranh từ nhiều nguồn dữ liệu nào, hiệu suất sẽ được xác định bởi: (a) thiết bị mạng, (b) phương tiện truyền dẫn, và (c) khoảng cách truyền dữ liệu. Không cần sử dụng QoS trong một mạng chuyển mạch bởi vì dịch vụ được bảo đảm do bản chất xác định của mạng. Một ví dụ là mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN). Nếu một kỹ thuật chuyển mạch gói mô phỏng các mạng chuyển mạch, được biết là dịch vụ mô phỏng mạch (CES), hiệu suất của nó sẽ được đảm bảo bởi bản chất của một mạng chuyển mạch.
QoS trong mạng chuyển mạch kênh
Trên một mạng đường dây, nghẽn sẽ xảy ra trên thiết bị và không bao giờ xảy ra trên phương tiện truyền thông (i.e., dây cáp). Đối với một dịch vụ phi kết nối, các thông tin QoS được mang trên các gói dữ liệu chính nó. Với dịch vụ kết nối có hướng, các QoS được cấu hình trên thiết bị.
Giống như Ethernet, WLAN (802,11) là một dịch vụ phi kết nối. Tuy nhiên, đường thắt nghẽn của WLAN là phương tiện truyền dẫn (ví dụ, tần số vô tuyến ) thay vì thiết bị mạng. Kết quả là, các thiết kế QoS đã được thảo luận cho Ethernet, IP, và ATM không áp dụng cho mạng WLAN. Các tiêu chuẩn 802,11 hỗ trợ hai cách thức truy cập là chức năng phối hợp phân tán (distributed coordination function - DCF) và chức năng phối hợp điểm (point coordination function PCF). Sự hoạt động của PCF đòi hỏi các điểm truy cập không dây (WAP) mang chức năng như một điểm kiểm soát trung tâm để thăm dò thiết bị không dây ở một phạm vi chuẩn. Một thuê bao không dây sẽ được phép truyền dữ liệu chỉ khi nó đã được thăm dò. WAP có thể thực hiện một hệ thống QoS để thăm dò các ứng dụng thời gian thực thường xuyên hơn các ứng dụng phi thời gian thực. Mặc dù PCF có khả năng hỗ trợ một hệ thống QoS, nhưng PCF không được hỗ trợ bởi nhiều nhà cung cấp. Kết quả là, một hệ thống QoS mới được đề nghị bởi một nhóm IEEE 802.11e (mà vẫn còn là một dự thảo). 802.11e xác định một cách thức tiếp cận mới, là DCF mở rộng (EDCF), sử dụng khe hở giữa các khung khác nhau (IFG-Inter-Frame Gap) và contention window (CW) cho các dịch vụ khác nhau. Một dịch vụ thời gian thực sẽ có một CW ngắn hơn và một IFG, trong khi một dịch vụ phi thời gian thực sẽ có CW dài hơn và một IFG. Kết quả là, các ứng dụng thời gian thực sẽ có xác suất cao hơn truy cập vào các phương tiện truyền thông. Kết quả thử nghiệm của EDCF được trộn lẫn và một vài nhà cung cấp đang hỗ trợ chuẩn dự thảo này.
2.2.2 Kiến trúc QoS
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.
2.2.3 Các kỹ thuật phục vụ QoS
Hình 2. 4: Các kỹ thuật QoS trong mạng IP Dịch vụ cố gắng tốt nhất (Best Effort):
Đây là dịch vụ phổ biến trên mạng Internet hay mạng IP nói chung. Các gói thông tin được truyền theo nguyên tắc “ đến trước được phục vụ trước” mà không
quan tâm đến đặc tính lưu lượng của dịch vụ là gì. Điều này dẫn đến rất khó hỗ trợ các dịch vụ đòi hỏi độ trễ thấp như các dịch vụ thời gian thực hay video. Cho đến thời điểm này đa phần các dịch vụ được cung cấp bởi mạng Internet vẫn sử dụng nguyên tắc Best Effort này.
Dịch vụ tích hợp (IntServ)
Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng trong việc cung cấp dịch vụ thời gian thực (thoại, video) và băng thông cao (đa phương tiện), dịch vụ tích hợp IntServ ra đời. Đây là sự phát triển của mạng IP nhằm đồng thời cung cấp dịch vụ truyền thống Best Effort và các dịch vụ thời gian thực. Động lực thúc đẩy sự ra đời của mô hình này đó là:
Dịch vụ Best Effort không còn đủ đáp ứng nữa do ngày càng có nhiều ứng dụng khác nhau, các yêu cầu khác nhau về đặc tính lưu lượng được triển khai, đồng thời người sử dụng cũng yêu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng cao hơn.
Các ứng dụng đa phương tiện ngày càng xuất hiện nhiều vì vậy mạng IP phải có khả năng hỗ trợ không chỉ đơn dịch vụ mà còn hỗ trợ đa dịch vụ của nhiều loại lưu lượng khác nhau từ thoại, số liệu đến video.
Tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng và tài nguyên mạng: đảm bảo hiệu quả sử dụng và đầu tư . Tài nguyên mạng sẽ được lưu trữ cho lưu lượng có độ ưu tiên cao hơn, phần còn lại sẽ dành cho số liệu Best Effort.
Cung cấp dịch vụ tốt nhất: mô hình IntServ cho phép nhà cung cấp mạng tung ra những dịch vụ tốt nhất, khác biệt với các đối thủ cạnh tranh khác.
Một số thành phần chính tham gia trong mô hình như:
Giao thức thiết lập Setup: cho phép các máy chủ và các router dự trự động tài nguyên mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng riêng như giao thức RSVP, Q.2391…
Đặc tính luồng: xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho các luồng xác định. Luồng ở đây được định nghĩa như một luồng các gói từ nguồn đến đích có cùng yêu cầu về QoS. Về nguyên tắc có thể đặc tính luồng như băng tần tối thiểu mà mạng bắt buộc phải cung cấp để đảm bảo QoS cho các luồng yêu cầu.
Hình 2. 5: Mô hình dịch vụ IntServ