Một số giải pháp cải thiện thời gian trễ nhƣ:
Tăng dung lƣợng liên kết để các gói không phải đợi trƣớc khi truyền dẫn. Tăng băng thông sẽ làm giảm trễ nối tiếp nhƣng lại làm tăng giá thành hệ thống khi nâng cấp.
Nén tải và nén tiêu đề gói tin là một giải pháp có ƣu – nhƣợc điểm trái ngƣợc cùng tồn tại. Nén tải làm kích thƣớc gói nhỏ đi, thời gian trễ thấp, nhƣng các kỹ thuật nén sẽ làm gia tăng trễ.
(iii) Mất gói
Tham số này cho biết tỷ lệ phần trăm số gói IP bị mất trên tổng số toàn bộ gói IP đầu gửi đã chuyển vào mạng cho phía đầu nhận. Mất gói thƣờng xảy ra khi các bộ định tuyến tràn không gian đệm. Gói có thể bị loại bỏ tại hàng đợi đầu vào vì bộ xử lý tắc nghẽn và hàng đợi đầu vào đầy, và bị loại bỏ tại đầu ra vì bộ đệm đầu ra đầy.
Hình 2.9. Mất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra
Tăng dung lƣợng liên kết giúp giảm mất gói. Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng một số giải pháp sau đây cho việc giảm mất gói:
Chống tắc nghẽn bằng phƣơng pháp loại bỏ gói sớm trƣớc khi có hiện tƣợng tắc nghẽn xảy ra.
Chia cắt lƣu lƣợng và trễ lƣu lƣợng thay vì loại bỏ gói (giải pháp này thƣờng đƣợc sử dụng cùng các hàng đợi phân lớp và có thứ tự ƣu tiên).
Đảm bảo băng thông và tăng không gian đệm để tƣơng thích với các ứng dụng có độ bùng nổ lƣu lƣợng cao. Các kỹ thuật hàng đợi thƣờng sử dụng hiện nay là hàng đợi ƣu tiên, hàng đợi theo yêu cầu, hàng đợi cân bằng trọng số và hàng đợi phân lớp.
Chính sách lƣu lƣợng có thể giới hạn tốc độ của các gói tin ít quan trọng hơn nhằm cung cấp chất lƣợng dịch vụ tốt nhất cho gói tin có yêu cầu cao. Tóm lại, khi xem xét đến đảm bảo chất lƣợng cho một dịch vụ trên nền mạng IP, chúng ta cần định nghĩa cụ thể tập hợp những tham số QoS khách quan cùng với phƣơng thức phù hợp cho sự ràng buộc tham số đó. Bên cạnh đó, mục tiêu đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cũng cần làm rõ.
2.3 CÁC CHỨC NĂNG CHUNG CỦA QoS IP
Để đảm bảo QoS, các bộ định tuyến IP cần có các chức năng đƣợc chỉ ra trong hình vẽ dƣới đây sắp xếp theo hƣớng đi của luồng dữ liệu từ đầu vào tới đầu ra của bộ định tuyến.
Hình 2.10. Các chức năng đảm bảo QoS của bộ định tuyến IP
Hai nhiệm vụ của bộ định tuyến là phân loại gói và xử lý gói theo loại đã đƣợc phân chia. Nhiệm vụ thứ nhất bao gồm các khối chức năng đánh dấu gói và phân loại gói. Nhiệm vụ thứ hai gồm các khối chức năng chính sách lƣu lƣợng, quản lý hàng đợi tích cực, lập lịch gói và chia cắt lƣu lƣợng.
(i) Đánh dấu gói tin IP
Chức năng đánh dấu gói đặt các bít nhị phân vào trƣờng chức năng đặc biệt của tiêu đề gói tin IP nhằm phân biệt kiểu của gói tin IP với các gói tin IP khác. Các gói tin đã đƣợc đánh dấu khi đến một cổng đầu vào vẫn có thể đƣợc đánh dấu lại nếu các giá trị đã đƣợc đánh dấu vi phạm chính sách của bộ định tuyến đang thực hiện chuyển gói. Ví dụ, nếu một gói đƣợc chuyển qua nhiều vùng dịch vụ phân biệt, các gói tin sẽ đƣợc đánh dấu nhiều lần để phù hợp với các thỏa thuận mức dịch vụ SLA giữa các vùng. Trƣờng hợp các gói tin chƣa đƣợc đánh dấu sẽ đƣợc đánh dấu để nhận giá trị phù hợp với chính sách của bộ định tuyến.
(ii) Phân loại gói tin IP
Phân loại gói đƣợc sử dụng để nhóm các gói IP theo luật phân lớp dịch vụ. Các gói IP đƣợc lựa chọn trên các trƣờng chức năng của tiêu đề IP sử dụng cho đánh dấu gói IP. Phân loại gói tin IP thƣờng sử dụng hai phƣơng pháp:
Phân loại đa trƣờng MF (Multi-Field)
Trong phƣơng pháp này, các gói tin đƣợc phân loại dựa trên tổ hợp các giá trị của một hoặc nhiều trƣờng chức năng trong tiêu đề IP. Bên cạnh đó, các tham số khác nhƣ nhận dạng giao diện cổng vào cũng có thể sử dụng cho mục đích phân loại.
Phân loại kết hợp hành vi BA (Behavior Aggregate)
Phƣơng pháp này thực hiện phân loại các gói dựa trên trƣờng chức năng chứa giá trị điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP.
Hình 2.12. Phương pháp phân loại gói theo kết hợp hành vi
(iii)Chính sách lưu lượng
Chính sách lƣu lƣợng đƣợc sử dụng nhằm kiểm tra các luồng lƣu lƣợng gói tin IP đến trên các cổng đầu vào của bộ định tuyến có phù hợp với các tốc độ lƣu lƣợng đã đƣợc thỏa thuận và xác định hay không.
Chính sách lƣu lƣợng kiểm tra tốc độ lƣu lƣợng đầu vào theo tốc độ thông tin cam kết CIR (Committed Information Rate), tốc độ thông tin đỉnh PIR (Peak Information Rate) và một số tham số phụ nhƣ kích thƣớc bùng nổ đỉnh PBS (Peak Burst Size), kích thƣớc bùng nổ cam kết (Committed Burst Size), kích thƣớc bùng nổ vƣợt ngƣỡng EBS (Excess Burst Size).
(iv)Quản lý hàng đợi tích cực
Quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Management) là một kỹ thuật điều khiển chống tắc nghẽn. Ý tƣởng chính của kỹ thuật này là dự đoán trƣớc khả năng tắc nghẽn và đƣa ra một số hoạt động điều khiển để chống lại hoặc giảm thiểu khả năng tắc nghẽn. Ba kỹ thuật cơ bản thƣờng áp dụng trong quản lý hàng đợi là loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên RED (Random Early Discarding), loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED (Weighted Random Early Discarding) và thông báo tắc nghẽn rõ ràng ECN (Explicit congestion Notification).
Hai kỹ thuật RED và WRED liên quan tới các hoạt động trong hàng đợi, không liên quan trực tiếp tới thiết bị đầu cuối. ECN đƣa ra cách tiếp cận liên quan trực tiếp tới thiết bị đầu cuối.
(v) Lập lịch cho gói tin
Lập lịch cho gói tin IP thực hiện thiết lập thứ tự cho các gói ra khỏi hàng đợi, dựa trên đặc tính của cổng đầu ra, các gói tin sẽ đƣợc phân bố và chuyển tới đầu ra theo luật. Kỹ thuật lập lịch là mấu chốt trung tâm của chất lƣợng dịch vụ và là thƣớc đo công nghệ giữa các nhà cung cấp khác nhau.
Một số kiểu lập lịch thƣờng sử dụng là vào trƣớc ra trƣớc FIFO (First in - First out), hàng đợi ƣu tiên PQ (Priority Queuing), hàng đợi cân bằng FQ (Fair Queuing), hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR (Weighted Round Robin), hàng đợi cân bằng
Phân loại kết hợp hành vi BA
theo trọng số WFQ (Weighted Fair Queuing) và hàng đợi cân bằng trọng số dựa theo lớp (Class–based WFQ).
(vi)Chia cắt lưu lượng
Chia cắt lƣu lƣợng để thay đổi tốc độ luồng lƣu lƣợng đến giúp điều hòa lƣu lƣợng với đầu ra. Nếu lƣu lƣợng đầu vào có độ bùng nổ cao, luồng lƣu lƣợng cần phải đệm để đầu ra bớt bùng nổ và mềm hơn. Việc điều chỉnh tốc độ lƣu lƣợng giống nhƣ một quá trình dừng và đi, thời gian trễ tại bộ đệm sẽ làm các gói tại đầu ra đƣợc điều chỉnh theo yêu cầu. Hai dạng chia cắt lƣu lƣợng hay đƣợc dùng là chia cắt lƣu lƣợng thuần và chia cắt lƣu lƣợng gáo rò.
2.4 CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO QoS IP
2.4.1 Kỹ thuật đo lƣu lƣợng và màu hóa lƣu lƣợng
Với giải pháp thực hiện hạn chế lƣu lƣợng, bộ định tuyến sử dụng kỹ thuật đo lƣu lƣợng nhằm xác định tốc độ lƣu lƣợng đầu vào có phù hợp với tốc độ thực tế hay không. Các khối đo lƣu lƣợng thƣờng sử dụng mô hình toán gọi là gáo rò token để xác định và hạn chế tốc độ lƣu lƣợng. Mô hình gáo rò token gồm hai thành phần: Token mang ý nghĩa về sự cho phép một số lƣợng bit đƣợc đƣa vào mạng; gáo rò là nơi lƣu trữ các token, độ sâu của gáo thể hiện các kích thƣớc của gói.
Đo lƣu lƣợng và màu hoá lƣu lƣợng gồm hai dạng sau: Đánh dấu 3 màu tốc độ đơn srTCM (single rate Three Color Marker) và đánh dấu 3 màu hai tốc độ trTCM (two rate Three Color Marker).
(i) Đánh dấu 3 màu tốc độ đơn
Kỹ thuật đánh dấu 3 màu tốc độ đơn (srTCM) đƣợc định nghĩa trong RFC 2696 [10], nó đƣợc sử dụng để đặt chính sách cho một luồng đơn tốc độ cùng CIR. srTCM đo tốc độ lƣu lƣợng và dựa trên kết quả đo đánh dấu các gói theo 3 màu là xanh, vàng và đỏ thể hiện cấp độ tƣơng thích lƣu lƣợng theo thứ tự giảm dần.
srTCM có hai chế độ điều hành: Chế độ mù màu giả thiết các gói tin đến chƣa đƣợc đánh dấu màu và chế độ rõ màu giả thiết các gói tin IP đến đã đƣợc đánh dấu màu từ thực thể phía trƣớc. Mục tiêu của srTCM là đảm bảo tốc độ lƣu lƣợng trung bình dài hạn của ngƣời sử dụng trong tốc độ thông tin cam kết CIR.
Mục tiêu của chính sách là xác định các luồng lƣu lƣợng vi phạm các tốc độ thoả thuận trƣớc và đánh dấu các gói tin để chuyển chúng đi nên khoảng thời gian dài hạn không tƣơng thích với khoảng thời gian áp dụng chính sách. Do đó các gói sẽ chuyển đi ngay mà không lƣu tại bộ định tuyến một thời gian dài để chờ CIR đƣợc xác định dựa trên thời gian dài hạn. Vì vậy, áp dụng chính sách phải dựa trên một khoảng thời gian ngắn, sử dụng hai tham số phụ là CBS và EBS thay cho CIR.
Hình 2.13. Khoảng thời gian CBS trong CIR của tốc độ lưu lượng đầu vào đơn
Đánh dấu 3 màu tốc độ đơn srTCM gồm hai kiểu gáo token: gáo token C và gáo token E tại hình 2.14(a) nhƣ sau:
Hình 2.14. Chế độ mù màu srTCM với gáo C và gáo E
Độ sâu của gáo C là kích thƣớc bùng nổ cam kết CBS, gáo C đƣợc khởi tạo đầy với số lƣợng token Tc=CBS. Độ sâu của gáo E là kích thƣớc bùng nổ quá hạn EBS. Gáo E cũng đƣợc khởi tạo đầy với số lƣợng Te=EBS. Cả hai bộ đếm token Tc và Te đƣợc cập nhật tại tốc độ CIR, ví dụ tại các thời điểm 1/CIR giây.
Hình 2.14(b) chỉ ra phƣơng pháp hoạt động của chế độ mù màu srTCM. Một gói không đánh dấu có kích thƣớc B byte đến tại thời điểm t:
Đầu tiên, bộ đếm so sánh kích thƣớc B với token hiện thời của gáo C (Tc). Nếu gáo C đủ chỗ (B ≤ Tc) thì gói đƣợc đánh dấu màu xanh, Tc sẽ giảm đi một lƣợng B (Tc:=Tc-B).
Nếu không đủ chỗ trong C (B> Tc) bộ đếm kiểm tra gáo thứ 2 (gáo E), nếu gáo E còn đủ chỗ (B ≤ Te) gói sẽ đƣợc đánh dấu màu vàng và Te:=Te-B. Khi đó gáo C không sử dụng nên Tc không thay đổi trạng thái.
Cuối cùng, nếu gáo E cũng không đủ chỗ (B>Te), gói sẽ đƣợc đánh dấu màu đỏ và cả Tc và Te không thay đổi trạng thái.
Thuật toán cập nhật của hai gáo nhƣ sau:
Tại khoảng thời gian cập nhật, nếu gáo C không đầy (Tc<CBS) thì Tc sẽ tăng lên 1 (Tc:=Tc+1).
Nếu gáo C đầy mà gáo E không đầy (Tc= CBS và Te<EBS) thì Tc không thay đổi và Te tăng lên 1 (Te:=Te+1).
Nếu cả hai gáo đầy thì không có gáo nào thay đổi trạng thái.
Chế độ hoạt động rõ màu của srTCM, nó tƣơng tự nhƣ trong chế độ mù màu:
Hình 2.15. Chế độ hoạt động rõ màu srTCM
Các gói màu xanh kích thƣớc B bytes đến tại thời điểm t. Vẫn giữ màu xanh nếu Tc ≥ B và Tc:=Tc-B.
Đƣợc đánh dấu màu vàng nếu Tc ≤ B ≤Te và Te:=Te-B.
Đánh dấu màu đỏ nếu Te<B và không có sự thay đổi của Te và Tc.
Các gói màu vàng có thể giữ nguyên màu vàng hoặc chuyển sang màu đỏ và không thể chuyển sang màu xanh. Các gói màu đỏ luôn giữ màu đỏ và không bao giờ đƣợc chuyển lên cấp độ cao hơn (màu xanh hoặc màu vàng).
(ii) Đánh dấu 3 màu hai tốc độ
Bộ đánh dấu 3 màu hai tốc độ đƣợc định nghĩa bởi RFC 2698 [10]. trTCM đƣợc sử dụng cho cả tốc độ thông tin đỉnh PIR và tốc độ thông tin cam kết CIR. Giống nhƣ srTCM, trTCM có hai chế độ hoạt động: mù màu và rõ màu. Đánh dấu 3 màu hai tốc độ đƣợc cấu hình bởi các chế độ hoạt động và các tham số PIR, CIR, PBS và CBS.
trTCM hoạt động với hai gáo rò: Gáo rò token C và gáo rò token P. Gáo rò C đƣợc sử dụng để điều khiển CIR và gáo dò P điều khiển PIR. Gáo rò C trong trTCM tƣơng tự nhƣ trong srTCM, gáo rò P có độ sâu cân bằng với kích thƣớc bùng nổ đỉnh PBS và đƣợc cập nhật tại tốc độ PIR.
Hình 2.16. Gáo rò C, P và chế độ hoạt động mù màu của trTCM
Giả thiết các gói không màu có kích thƣớc B đến tại thời điểm t. Gói tin kích thƣớc B sẽ so sánh với token trong gáo rò P.
Nếu gáo P không đủ chỗ (B > Tp), gói tin sẽ đƣợc đánh dấu màu đỏ bất kể C có đủ hay không.
Nếu gáo P đủ chỗ (Tp ≥ B), gói kích thƣớc B đƣợc so sánh với bộ đếm token trong gáo C, Tc.
Nếu (Tc ≥ B), gói đƣợc đánh dấu màu xanh và Tp := Tp - B và Tc := Tc-B. Nếu (Tc < B) gói đƣợc đánh dấu màu vàng và Tp := Tp-B.
Đối với chế độ hoạt động rõ màu của trTCM cũng giống nhƣ chế độ hoạt động của srTCM, các gói đến không thể cải thiện cấp độ tốt hơn (luôn luôn bằng hoặc nhỏ hơn cấp độ đƣa tới). Giả thiết các gói đã đƣợc đánh dấu màu tới:
Nếu gói đã đƣợc đánh dấu màu đỏ, gói sẽ đƣợc đánh dấu lại màu đỏ và các gáo rò đƣợc bỏ qua.
Nếu gói đã đƣợc đánh dấu màu vàng, nó đƣợc đánh dấu màu đỏ khi B ≤ Tp và Tp:=Tp-B; đƣợc đánh dấu màu vàng nếu Tp>B.
Nếu gói đã đƣợc đánh dấu màu xanh, nó đƣợc chuyển sang màu: Đỏ, nếu Tp < B;
Vàng, nếu Tc<B ≤ Tb và Tp:=Tp-B;
Xanh, nếu Tc ≥ B, Tp ≥ B và Tc:=Tc-B, Tp:=Tb-B.
2.4.2 Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực
Có 3 kiểu cơ bản trong kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực là: RED, WRED và ECN.
i) Kỹ thuật loại bỏ sớm ngẫu nhiên RED
Hình 2.18 thể hiện sơ đồ nguyên lý hoạt động của kỹ thuật loại bỏ sớm ngẫu nhiên: phát hiện trên tập tắc nghẽn và loại bỏ gói ngẫu nhiên từ bộ đệm.
Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED
Chức năng của module dự đoán tắc nghẽn là đánh giá hành vi lƣu lƣợng trong bộ đệm theo thời gian và phát hiện khả năng tắc nghẽn. Tiếp cận đơn giản nhất là dựa vào chiều dài hàng đợi (N) và xác định trạng thái tắc nghẽn dựa trên cơ sở hàng đợi đầy (so sánh với kích thƣớc bộ đệm (B)).
Một phƣơng pháp khác sử dụng để dự đoán tắc nghẽn dựa trên thuật toán tính toán thời gian trung bình của hàng đợi, đầu ra của module dự đoán tắc nghẽn là chiều dài hàng đợi trung bình trọng số (nN). Mặc dù nó phản ánh độ dài hàng đợi hiện thời, nhƣng (nN) không phải là chiều dài hàng đợi thực tế mà là phép đo cho hiện tƣợng tắc nghẽn. Gọi α là phần trăm (%) điền đầy bộ đệm đƣợc tính theo công thức sau:
N
n B
(2.3) Trong đó B là kích thƣớc bộ đệm.
Hồ sơ loại bỏ gói là một phƣơng pháp tham chiếu giữa % bộ đệm đầy và xác suất loại bỏ gói, khi α đạt một giá trị nào đó thì RED đƣợc kích hoạt, khi α đạt giá trị lớn nhất (<100%) thì xác suất loại bỏ gói =1. Cơ chế loại bỏ gói chuyển sang theo phƣơng pháp cắt đuôi lƣu lƣợng.
ii) Kỹ thuật loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED
Kỹ thuật loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED là kỹ thuật loại bỏ gói sớm RED với nhiều hồ sơ loại bỏ gói. Thay vì sử dụng một hồ sơ loại bỏ gói cho tất cả các hàng đợi, WRED sử dụng nhiều hồ sơ loại bỏ gói cho một hàng đợi.