2.2.1 Lịch sử phát triển các mô hình QoS IP
Vào khoảng giữa thập kỷ 1990, các mạng IP hoạt động theo mô hình “nỗ lực tối đa” giống nhƣ mạng Internet hiện nay và đang phát triển thành các mô hình dịch vụ phân biệt phức tạp. Dƣới đây là các bƣớc phát triển của khái niệm QoS từ khoảng giữa thập kỷ 90 tới nay [19]:
Hình 2.4. Các bước phát triển của mô hình QoS [12].
Mô hình IP nỗ lực tối đa Mô hình dịch vụ tích hợp Mô hình dịch vụ phân biệt
Kỹ thuật lưu lượng và VPN QoS
Điều khiển QoS thông minh, tự động QoS là công cụ bảo mật C ác mô h ìn h, p hiên b ản 1994 1996 1998 2000 2002 2004 thời gian
Vào tháng 6 năm 1994, lần đầu tiên khi IETF phát hành RFC 1633 với nỗ lực tiêu chuẩn hóa chất lƣợng dịch vụ IP. RFC 1633 đƣa ra mô hình dịch vụ tích hợp IntServ (Integrated Sevices) và tập trung vào giao thức dành trƣớc tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol) [19]. RSVP báo hiệu các yêu cầu về trễ và băng thông cho các phiên riêng biệt tới từng nút dọc theo tuyến đƣờng mà gói đi qua. Trong môi trƣờng không gian lớn nhƣ Internet, điều gây trở ngại lớn khi hoạt động là tại thời điểm khởi tạo RSVP yêu cầu các nút dự trữ tài nguyên, vì số lƣợng các bộ định tuyến, thiết bị chuyển mạch lớn và đa dạng.
Đứng trƣớc những thách thức này, một tập tiêu chuẩn về chất lƣợng dịch vụ IP của mô hình dịch vụ phân biệt đƣợc đƣa ra. Mô hình DiffServ (Differentiated Services) định nghĩa các kỹ thuật dấu gói nhƣ thứ tự ƣu tiên IPP (IP Precendence) và nút kế tiếp của nó, các điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP (Differentiated Services Code Points) phù hợp với các hành vi bƣớc kế tiếp PHB (Per-Hop Behaviors) cho các kiểu lƣu lƣợng.
Cả hai mô hình IntServ và DiffServ đều đƣa ra các giải pháp hoàn thiện và các thành phần của hai mô hình có thể tổ hợp để cung cấp các ứng dụng tổng quát nhất cho miền rộng các lƣu lƣợng và kiểu ứng dụng [17], [19]:
Mô hình dịch vụ tích hợp Mô hình dịch vụ phân biệt
IntServ sử dụng khái niệm dựa trên luồng cùng với giao thức báo hiệu (RSVF) dọc theo đƣờng dẫn gói tin. Trong giai đoạn đầu khởi tạo, mô hình IntServ bị hạn chế bởi vấn đề mở rộng vì rất nhiều luồng lƣu lƣợng cần phải quản lý trong mạng đặc biệt là mạng đƣờng trục
DiffServ sử dụng phƣơng pháp đánh dấu gói để phân loại và ứng xử với từng gói theo các hành vi độc lập.
Dù DiffServ có tính mềm dẻo lớn nhƣng mô hình này không cung cấp đảm bảo băng thông cho các gói trong cùng một luồng lƣu lƣợng.
Hình 2.5. Dịch vụ IntServ và dịch vụ DiffServ [19].
Các dịch vụ tích hợp Theo trạng thái luồng Giao thức báo hiệu RSVF
Các dịch vụ phân biệt Không trạng thái, Hành vi bƣớc kế tiếp
Các kỹ thuật QoS ngày càng đƣợc chú trọng nhiều hơn vào cuối những năm 1990 và trở thành vấn đề quan trọng khi tƣơng thích với các công nghệ mạng tiên tiến là công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multiprotocol Label Switching) và công nghệ mạng riêng ảo VPN (Virtual Private Network) [19].
Trong khoảng thời gian gần đây, các chiến lƣợc phát triển mô hình chất lƣợng dịch vụ IP tập trung vào tính đơn giản và tự động, với mục tiêu cung cấp các kỹ thuật đảm bảo QoS thông minh trên mạng IP. Công nghệ QoS ngày càng đƣa ra các mục tiêu quản lý chất lƣợng chi tiết và rộng hơn, có thể giải quyết các vấn đề chất lƣợng dịch vụ IP ở những cấu hình phức tạp. Các nhà quản trị mạng muốn xu hƣớng quản lý QoS càng đơn giản càng tốt và phát triển QoS theo hƣớng công cụ bảo mật hệ thống [8].
2.2.2 Các tham số cơ bản ảnh hƣởng tới QoS IP thực tế
Tiến tới một chuẩn mực chung cho việc đảm bảo chất lƣợng dịch vụ, chúng ta cần phải xây dựng cách đánh giá khách quan dựa trên những tham số đặc trƣng khách quan liên quan tới các dịch vụ trên nền mạng IP. Theo khuyến nghị của I.380 ITUT một số tham số đánh giá hiệu năng truyền gói IP nhƣ sau:
Trễ truyền gói IP (IP Packet Transfer Delay – IPTD): Thƣờng gọi là trễ mạng hoặc trễ đầu cuối tới đầu cuối. Trễ cho một datagram hoặc phân đoạn cuối giữa hai điểm tham khảo. Liên quan đến trễ truyền gói IP, hai tham số quan trọng cần đƣợc quan tâm là trễ trung bình và biến thiên trễ.
Tỷ lệ lỗi gói IP (IP Packet Error Ratio – IPER): Là tham số tính theo tỷ lệ của các gói tin IP lỗi trên tổng số gói tin IP nhận đƣợc:
err Nerr + Nsuc N IPER (2.1) Trong đó:
Nerr: Số lƣợng gói IP lỗi
Nsuc: Số lƣợng gói IP truyền thành công
Tỷ lệ mất gói IP (IP Loss Ratio): Tham số tính theo tỷ số các gói bị mất trên tổng số các gói tin IP đƣợc truyền:
Nloss IPLR
Ntran
(2.2) Trong đó:
Nloss: Số lƣợng gói tin bị mất
Ntran: Số lƣợng gói tin đƣợc truyền
Các ứng dụng trên IP thƣờng tính trên 3 khía cạnh ảnh hƣởng tỷ lệ mất gói: Giá trị ngƣỡng của tỷ lệ mất gói, dung sai và ảnh hƣởng của tỷ lệ mất gói đối với hiệu năng ứng dụng.
Một số vấn đề liên quan tới chất lƣợng dịch vụ IP đƣợc nhìn nhận từ phía ngƣời sử dụng là ứng dụng chậm, các ứng dụng video có chất lƣợng thấp, thời gian chuyển giao và truyền tải lƣu lƣợng lớn có thời gian dài. Nhìn từ góc độ mạng, những vấn đề nêu trên có thể định lƣợng qua các tham số QoS của mạng: Băng thông, mất gói, độ trễ gói và điều khiển quản lý.
(i) Băng thông
Sự thiếu hụt băng thông trong mạng Internet thƣờng xuyên xảy ra do nhiều nguyên nhân: Bản thân nguồn tài nguyên mạng không đủ đáp ứng hay các luồng lƣu lƣợng cùng tranh cấp một số tài nguyên. Băng thông của đƣờng định tuyến bằng giá trị băng thông của liên kết trên đƣờng định tuyến có băng thông nhỏ nhất. Băng thông khả dụng bằng băng thông của đƣờng định tuyến chia cho số luồng lƣu lƣợng. Hình 2.6 cho ta một ví dụ về cách tính băng thông đƣờng định tuyến (BWmax) và băng thông khả dụng (BWavail).
BWmax = min(10Mbps, 256Kbps, 512Kbps, 100Mbps) = 256Kbps
BWavail = BWmax / Flows
Hình 2.6. Băng thông khả dụng
Một số giải pháp giải quyết vấn đề sử dụng băng thông:
Tăng dung lƣợng liên kết để phù hợp với các ứng dụng và ngƣời sử dụng với một số lƣợng băng thông dƣ. Hạn chế của giải pháp này là thời gian, tiền, giới hạn của công nghệ trong quá trình nâng cấp hệ thống.
Phân loại lƣu lƣợng thành các lớp QoS và ƣu tiên các luồng lƣu lƣợng quan trọng.
Nén dữ liệu cần truyền. Việc nén dữ liệu có thể thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm qua các thuật toán nén. Vấn đề khó khăn trong giải pháp này là quá trình nén và giải nén sẽ làm tăng thời gian trễ vì độ phức tạp của thuật toán nén.
Nén tiêu đề gói tin. Giải pháp này đặc biệt hiệu quả tại môi trƣờng truyền thông mà các gói tin có tỷ số kích thƣớc tiêu đề/tải tin lớn. TCP và RTP sử dụng phƣơng pháp này.
(ii) Độ trễ gói
Độ trễ gói, hay còn gọi là trễ từ đầu cuối tới đầu cuối, là thời gian từ khi bên gửi bắt đầu gửi gói tin đến khi bên nhận nhận đƣợc toàn bộ gói tin. Trễ gói là tổng của các trễ lan truyền (thời gian truyền gói qua liên kết) trên các liên kết và trễ xử lý-đợi (thời gian chuyển gói tin từ giao diện đầu vào tới giao diện đầu ra - thời gian gói tin nằm chờ tại hàng đợi) ở các bộ định tuyến trên đƣờng định tuyến. Ở ví dụ Hình 2.7, đƣờng định tuyến bao gồm bốn liên kết với ba bộ định tuyến, trễ gói là tổng các trễ lan truyền trên bốn liên kết (P1, P2, P3, P4) và trễ xử lý-đợi của ba bộ định tuyến (Q1, Q2, Q3).
Delay = P1 + Q1 + P2 + Q2 + P3 + Q3 + P4 = X ms
Hình 2.7. Trễ tích lũy từ đầu cuối tới đầu cuối
Trễ lan truyền có giá trị cố định phụ thuộc vào phƣơng tiện truyền trong khi trễ xử lý-đợi có giá trị thay đổi do các điều kiện thực tế của mạng. Trễ lan truyền chỉ phụ thuộc vào băng thông khả dụng của liên kết. Trễ xử lý phụ tuộc vào các yếu tố: Tốc độ xử lý, mức độ chiếm dụng CPU, phƣơng thức chuyển mạch IP, kiến trúc bộ định tuyến và các đặc tính cấu hình giao diện đầu vào và đầu ra. Trễ hàng đợi phụ thuộc vào số lƣợng, kích thƣớc các gói tin trong hàng đợi và băng thông khả dụng trên liên kết đầu ra của bộ định tuyến và còn phụ thuộc vào kỹ thuật quản lý hàng đợi.
Hình 2.8. Trễ xử lý và hàng đợi
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.