2.5.2.3 Nén tiêu đề - Header:
Tất các phƣơng thức nén đều cùng chung một mục đích đó là hạn chế dƣ thừa khi gửi dữ liệu trên môi trƣờng truyền dẫn. Các trƣờng thông tin tiêu của các gói trong cùng một luồng không thay đổi nhiều trong suốt quá trình truyền đó bởi vậy việc các thông tin này thực sự gây lãng phí băng thông. Nhƣ vậy một vấn đề đặt 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 đầu đủ thông tin trƣờng tiêu đề lớp 3 để có thể định tuyến tới hop kế tiếp.
Nén tiêu đề đƣợc thực hiện trên các giao tiêp ở các kết nối lớp truyền dẫn. Khi các gói tin đƣợc 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 sẽ đƣợc gửi tới đầu ra hàng đợi và đƣợc truyền tới trạm đầu xa. Tại đầu xa quá trình giải nén đƣợc thực hiện và chuyển tiếp tới quá trình xử lý tiếp theo.
Với việc nén tiêu đề các khung lớp 2 sẽ nhỏ đi từ đó thời gian truyền cũng giảm đi do đó giảm tổng trễ.
Có 2 phƣơng thức nén tiêu đề đó là: Nén tiêu đề TCP
Nén tiêu đề RTP
Phần lớn các ứng dụng Internet sử dụng TCP nhƣ một giao thức truyền tải và đa phần các thông tin tiêu đề TCP là cố định hoặc có thể đoán trƣớc đƣợc thông qua một phiên. Với việc nén TCP header (bao gồm IP 20 byte và TCP 20 byte header) có thể làm giảm
Real-Time Rrotocol (RTP) là giao thức chuẩn internet đƣợc sử dụng truyền tải các dữ liệu thời gian thực RTP. Nó cung cấp các chức năng mạng truyền dẫn đầu cuối đến đầu cuối phục vụ các ứng dụng nhƣ thoại, video hoạc dữ liệu mô phỏng thông qua dịch vụ mạng đơn nhóm (unicast) hay đa nhóm (multicast).
RTP bao gồm 2 phần tải tin và tiêu đề (header). Phần tải tin của RTP là một giao thức nhỏ mà cung cấp khôi phục lại, phát hiện lỗi và nhận dạng nội dung.
Phần tiêu đề của RTP là tƣơng đối lớn, bao gồm IP header (IPH), User Datagram Protocol (UDP) header, tạo nên IP/UDP/RTP header.
Để giảm thiểu lãng phí băng thông không cần thiết, nén RTP header là một biến pháp hữu hiệu để tiết kiệm tài nghuyên.
CRTP nén IP/UDP/RTP header trong gói tin RTP từ 40 byte xuống còn xấp xỉ 2-5 byte. Bên cạnh đó việc giải nén có thể khôi phục lại trƣờng tiêu đề mà không gây mất mát thông tin.
CRTP là cơ chế nén hop-by-hop tƣơng tự nhƣ nén tiêu đề TCP. CRTP làm giảm chiều dài của tiêu đề do đó nó làm giảm đƣợc độ trễ. CRTP đặc biệt hữu ích đói với tải tin có cỡ gói nhỏ ví nhƣ thoại VoIP có cỡ gói 20 bytes sử dụng nén CRTP có thể làm giảm cỡ gói xấp xỉ 240%. Nó cũng rất hữu hiệu trong các ứng dụng truyền tải cả lƣu thoại và dữ liệu trên các liên kết tốc độ thấp.
Không nên sử dụng CRTP trên bất cứ liên kết tốc độ cao nào (lớn hơn E1). Chỉ nên sử dụng CRTP trên giao tiếp WAN tại đó băng thông xác định và lƣu lƣợng chủ yếu là dữ liệu RTP.
Trên các giao tiếp Serial sử dùng đóng gói Frame Relay, HDLC hay PPP đều hỗ trợ tính năng với CRTP. Bên cạnh đó CRTP cũng đƣợc hỗ trợ trên các giao tiếp ISDN.
Kết luận:
Bên cạnh các giải pháp về mạng, dịch vụ đƣợc cung cấp bởi Cisco. Các đặc tính QoS của Cisco là một thành phần không thể thiếu nhằm đảm bảo chất lƣợng của các dịch vụ một cách an toàn hơn.
Các công cụ QoS của Cisco giải quyết 5 vấn đề chính trong mạng đó là: Phân loại gói, Quản lý tắc nghẽn, Tránh tắc nghẽn, Kiểm soát và Sửa dạng lƣu lƣợng, Các cơ chế liên
kết hiệu quả. Trong mỗi phƣơng thức này có nhiều cách xử lý gói tin khác nhau. Tùy vào đặc điểm dịch vụ trong mạng, yêu cầu chất lƣợng dịch vụ cần đặt ra và quy mô mạng mà ta cần nghiên cứu lựa chọn các công cụ sao cho phù hợp
CHƢƠNG 3 : TỔ HỢP THOẠI VÀ DỮ LIỆU TRONG MẠNG IP-177 IP-177
3.1. Tổ hợp thoại và dữ liệu:
Tổ hợp thoại và dữ liệu là đặc biệt quan trọng đối với ngƣời thiết kế mạng. Nó mang lại sự tiết kiệm về chi phí cho các nhà cung cấp và đa dạng hóa dịch vụ cho khách hàng.
Ngày nay, xu thế tổ hợp dịch vụ ngày càng phát triển bởi vì chỉ có nhƣ vậy các nhà cung cấp mới có thể sử dụng hiệu quả một cách tối đa tài nguyên mạng bao gồm trang thiết bị, kênh truyền, nhân công mạng đồng thời tạo sức hút đối với khách hàng để họ sử dụng dịch vụ của mình.
Tuy nhiên cũng phải thấy rằng các dịch vụ khác nhau thì chúng có các yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Do vậy trƣớc khi triển khai tổ hợp cần phải nghiên cứu kỹ lƣỡng các đặc tính của chúng và có phƣơng án QoS hợp lý để tránh làm suy giảm chất lƣợng mạng.
3.2. Các thuộc tính của Thoại và Dữ liệu: [8,12] 3.2.1. Các thuộc tính của Thoại: 3.2.1. Các thuộc tính của Thoại:
Thoại mã hóa trên khuôn dạng dữ liệu bao gồm 3 loại: VoIP, VoFR, VoATM. Mỗi loại có công nghệ truyền dẫn khác nhau và đặc tính khác nhau. Trong phần lớn công nghệ ứng dụng hiện nay thoại đƣợc mã hóa trên nền giao thức IP. Do vậy ở đây ta giới hạn chỉ xét đặc tính chung của VoIP.
Trong thực tế các thuộc tính thoại VoIP đƣợc truyền dựa trên giao thức vận chuyển thời gian thực RTP và gói IP có cấu trúc nhƣ sau:
IP UDP RTP Tải tin thoại
20 Byte 8 Byte 12 Byte Biến đổi
Dải Port 16384 – 32767 (port chẵn) Thông thƣờng: G711: 160 Byte G729a: 20 Byte Hình 3.1: Cấu trúc gói IP
Tiến trình thực hiện một cuộc gọi VoIP nhƣ sau: Các tín hiệu thoại tƣơng tự đƣợc gửi đến Gateways đƣợc số hóa, mã hóa đóng gói xắp xếp tải tin sau đó gửi đến Router. Router dựa vào thông số địa chỉ đích trong từ mào đầu xác đinh đƣờng đi và định tuyến các cuộc gọi xuyên qua mạng. Tại đầu thu quá trình đƣợc thực hiện ngƣợc lại biến đổi thành tín hiệu tƣơng tự đƣa đến thuê bao ngƣời nghe.
Chu trình thực hiện cuộc gọi theo lƣu đồ sau:
Hình 3.2: Lƣu đồ thực hiện cuộc gọi.
Trong mã háo thoại có nhiều chuẩn mã hóa khác nhau. Hiện nay các thiết bị của Cisco chủ yếu chuẩn mã hóa G711, G726, G729, G723.1 ACELP với các đặc tính:
Mã hóa Tốc độ (kbps) Cỡ tải tin
G.711 (PCM) 64 160 byte
G.726 ADPCM 32 80 byte
G.723.1 ACELP 5.3 20 byte Bảng 3.1: Các lọai chuẩn mã hóa thông dụng.
Tất cả luồng tải tin thoại có chung đặc tính QoS. Để triển khai các công cụ QoS cho nó ta cũng cần tìm hiểu kỹ càng các đặc tính đó.
3.2.1.1. Băng thông thoại VoIP:
Các cuộc thoại thiết lập với một tốc độ cố định và cỡ gói là tƣơng đƣơng nhƣ nhau. Băng thông thực tế cần thiết cho tải tin thoại tùy thuộc vào các hệ số sau:
- Mã hóa - Từ mào đầu
- Cấu trúc khung liên kết dữ liệu - Nén
Phần lớn các thiết bị thoại hiện nay đều sử dụng chuẩn mã hóa G711 và G729 tƣơng ứng với băn thông kênh thoại là 64 kbps và 8 kbps. Trong thực tế ngƣời ta thƣờng coi băng thông của kênh thoại chính là bằng thông cần thiết cho tải tin và bỏ qua các từ mào đầu IP, UDP, RTP và cấu trúc khung lớp 2.
Môi trƣờng Cỡ mào đầu Cỡ mào đầu IP/UDP/RTP Mã hóa Băng thông tải Băng thông tổng Ethernet 14 40 bytes G.711 64 kbps 85.6 kbps MLPPP/FR 6 40 bytes G.711 64 kbps 82.4 kbps Ethernet 14 40 bytes G.729 8 kbps 29.6 kbps MLPPP/FR 6 40 bytes G.729 8 kbps 26.4 kbps
Bảng 3.2: Băng thông yêu cầu với các kiểu liên kết dữ liệu khác nhau.
3.2.1.2. Trễ trong thoại VoIP:
Chất lƣợng của thoại sẽ suy giảm đáng kể khi có quá nhiều trễ xẩy ra, các cuộc gọi nghe bị bậm bõm do mất quá nhiều gói gây lên. Trễ thoại bao gồm đầy đủ các đặc điểm trễ nhƣ đã phân tích ở phần trƣớc. Thông thƣờng chúng có đặc tính nhƣ sau.
Trễ do mã hóa, đây là loại trễ cố định và có giá trị khác nhau tùy thuộc vào loại mã hóa sử dụng. Điển hình trễ này khoảng 10 ms.
Trễ đóng gói , chúng cũng là một loại trễ cố định. Thông thƣờng với chuẩn G711 và G729 trễ khoảng 20 ms ( thời gian để đóng gói hoàn thành một gói tin là 20 ms).
Hai loại trễ trên đều không thể hạn chế đƣợc bằng công cụ QoS.
Trễ lan truyền là loại trễ biến đổi và phụ thuộc vào chiều dài và tốc độ của các thiết bị truyền tin. Trong mạng hiện nay, trễ này dƣới 5ms/ 100 km.
Loại trễ trên có điểm là phụ thuộc vào cự ly và phƣơng thức truyền tin và ta không thể hạn chế các trễ này đƣợc.
Các loại trễ khác bao gồm trễ hàng đợi, trễ truyền nối tiếp, trễ mạng, trễ bộ đệm, trƣợt là các trễ mà ta có thể kiểm soát đƣợc và có thể sử dụng các công cụ QoS để hạn chế chúng.
Nhƣ vậy, ta có thể nhận tháy rằng trong tiến trình thiết lập một cuộc gọi bao gồm nhiều thành phần trễ cố định và thay đổi khác nhau. Do đó một vấn đề đặt ra là trễ bao nhiêu để đảm bảo chất lƣợng của dịch vụ.
Theo tiêu chuẩn ITU và Cisco giới hạn trễ cho một cuộc gọi là nhƣ sau:
Trễ 1 hƣớng ( ms) Mô tả
0 – 150 Theo khuyến nghị ITU G.114 [1]
0 – 200 Theo chuẩn của Cisco
150 – 400 Theo khuyến nghị của ITU G.114 dịch vụ bắt đầu suy giảm nhƣng vẫn chấp nhận đƣợc
400 + Theo khuyến nghị của ITU G.114 không thể chấp nhận đƣợc trong mọi trƣờng hợp
Bảng 3.3: Tiêu chuẩn trễ của ITU và Cisco
Jitter trong thoại là nguyên nhân dẫn đến hiện tƣợng mất âm trong quá trình trao đổi thông tin . Hai bên đầu nghe tín hiệu bập bõm và không liên tục. Hiện tƣợng này là do quá trình biến đổi Jitter tăng quá nhanh hoặc giảm đột ngột.
Để hiểu rõ về Jitter trong thoại ta xét một ví dụ sau:
Bộ đệm Jitter 20ms - Gói 1
Không có tải tin thoại T- X: Khoảng thời
gian nhận đƣợc gói 1
20ms - Gói 2 20ms - Gói 1 Bộ đệm Jitter
Không có tải tin thoại T- X +20 : Khoảng thời gian nhận đƣợc gói 2, không có trƣợt 20ms - Gói 2 Bộ đệm Jitter T- X +40 : Gói thứ 3 vẫn chƣan nhận đƣợc Gói tin thứ nhất 20ms - Gói 3 Bộ đệm Jitter T- X +60 : Gói thứ 3 vẫn nhận đƣợc, trƣợt 20ms
Gói tin thứ hai
Bộ đệm Jitter T- X +80 : Gói thứ 4 vẫn chƣa nhận đƣợc. Gói tin thứ 3, bộ đệm trống Bộ đệm Jitter T- X +100 : Gói thứ 4 vẫn chƣa nhận đƣợc, do trƣợt lớn hơn 20ms
Không có tải tin, ngƣời nghe không thấy có gì cả
Hình 3.3: Ảnh hƣởng của Jitter đến thoại.
Thông thƣờng các IP phone hoặc Gateways Cisco cứ 20ms thì gửi các gói tin một lần. Nếu cứ 20ms tại đầu thu nhận đƣợc một gói tin thì trễ cho các gói đến là nhƣ nhau do đó không có Jitter. Theo nhƣ hình vẽ ta thấy, trễ cho gói 1 và 2 là nhƣ nhau do vậy không xuất hiện Jitter. Tuy nhiên, gói thứ 3 đến sau 40ms sau gói thứ 2 nhƣ vậy Jitter là 20ms. Gói thứ 4 nhận đƣợc sau gói thứ 3 là 45ms do nó đƣợc gửi đi sau gói thứ 3 là 20ms và Jitter là 25ms. Nhƣ vậy, bộ đệm Jitter sẽ bị trống và xuất hiện một khoảng lặng.
Jitter nhƣ đã nói là do sự biến đổi của thành phần trễ. Đối với thoại, hai thành phần trễ chủ yếu gây phát sinh Jitter là trễ hàng đợi và trễ mạng. Đối với tải tin thoại, trễ hàng đợi có thể đƣợc giảm thiểu và ổn định bằng phƣơng thức hàng đợi mà thực hiện gửi gói
Chúng ta cũng có thể sử dụng cơ chế LFI phân thành các gói nhỏ hơn để giải quyết vấn đề này.
Jitter là một vấn đề cố hữu và không thể tránh khỏi trong dịch vụ thoại. Để đảm bảo chất lƣợng thoại cần giảm thiểu và ổn định Jitter.
3.2.1.4. Mất gói:
Các Router loại bỏ các gói tin với rất nhiều các lý do khác nhau, tuy nhiên có hai nguyên nhân chính dẫn đến hiện tƣợng mất gói là:
- Lỗi bít
- Đầy hàng đợi
Lỗi bít phụ thuộc vào đặc tính môi trƣờng truyền dẫn và là yếu tố khách quan không có một công cụ QoS nào có thể khắc phục đƣợc. Với những công nghệ truyền dẫn hiện đại nhƣ hiện nay, thì lỗi bít đƣợc giảm thiểu do vậy hiện tƣợng mất gói do lỗi bít là ít khi xảy ra.
Rớt gói chủ yếu do đầy hàng đợi. Để giải quyết vấn đề này ta có thể sử dụng nhiều phƣơng thức hàng đợi khác nhau giải quyết ƣu tiên mất gói thoại . Ví dụ nhƣ cơ chế hàng đợi ƣu tiên gói tin thoại nhƣ sau:
Router 1 3 2 1 Router 2 1 4 Router 1 3 2 1 Router 2 4 4 Hàng đợi FIFO cỡ bộ đệm 3
Hàng đợi phi thoại
Hình 3.4: Nhiều hàng đợi ƣu tiên thoại xử lý mất gói.
Giả sử nhƣ có 3 gói dữ liệu phi thoại 1,2,3 và một gói thoại 4 nhƣ trên hình vẽ. Trong trƣờng hợp sử dụng hàng đợi đơn lẻ FIFO với cỡ bộ đệm là 3. Gói tin thoại sẽ bị rớt do bộ đệm hàng đợi bị đầy. Nếu ta sử dụng nhiều hàng đợi với trọng số ƣu tiên của thoại là cao hơn, thì gói tin thoại 4 sẽ đƣợc gửi trƣớc 3 gói tin phi thoại.
Bên cạnh đó ta cũng có thể sử dụng phƣơng thức CAC, LFI để giải quyết vấn đề này.
3.3.2 Các đặc tính của Dữ liệu:
Dữ liệu là khái niệm tƣơng đối rộng. Xét một khía cạnh nào đó thoại cũng là một loại dữ liệu. Tuy nhiên, xét về đặc tính yêu cầu chất lƣợng dịch vụ ta tạm tách thoại và dữ liệu làm 2 thành phần khác nhau.
Dữ liệu ở đâ đƣợc xem nhƣ là các lƣu lƣợng của ứng dụng dịch vụ phi thoại. Trong mạng sử dụng giao thức lớp chuyển tải TCP/IP phần lớn các ứng dụng sử dụng giao thức TCP hoặc UDP để truyền tải thông tin. Các ứng dụng phi thoại phổ biến hiện nay bao gồm: FTP, TFTP, HTTP, SNMP, Email...
Cũng giống nhƣ thoại để có thể tổ hợp loại hình dịch vụ này ta cần nghiên cứu kỹ đặc tính QoS của chúng.
3.3.2.1. Băng thông:
Không giống nhƣ thoại, băng thông là một hằng, băng thông của dữ liệu yêu cầu biến đổi một lƣợng khá lớn. Một vài ứng dụng có thể yêu cầu băng thông nhỏ hơn 1kbps (ví dụ nhƣ Telnet) trong khi đó một vài ứng dụng khác lại yêu cầu băng thông khá lớn (ví dụ FTP, TFTP, Web).
Câu hỏi lớn nhất với băng thông dữ liệu xoay quanh lớp thƣơng mại (dịch vụ) hay một số ngƣời quen gọi là OSI lớp 8. Ví dụ cần bao nhiêu băng thông cho dịch vụ Web? Trong thực tế ở một số mạng lƣu lƣơng này chiếm 80 % tổng băng thông mạng sử dụng.
Một câu hỏi khác với ứng dụng dữ liệu đó là ứng dụng thuộc loại tƣơng tác hay không tƣơng tác. Ngày nay, rất nhiều ứng dụng tƣơng tác dựa trên nền Web và mỗi trang Web bao hàm trong nó các giao tiếp đồ họa thì băng thông yêu cầu sẽ lớn hơn nhiều.
Đặc tính Thoại Dữ liệu
Số lƣợng luồng 2 (mỗi hƣớng 1 luồng) 1 (2 chiều)
Cỡ gói Cố định và dựa vào kiểm mã hóa Biến đổi lớn
Tốc độ gói Hằng số Biến đổi lớn
Tải trên hƣớng đối diện Không đối xứng Không đối xứng
Bảng 3.4: So sánh đặc tính băng thông thoại và dữ liệu.