Mô hình chức năng QoS gồm 3 mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (control plane), mặt phẳng dữ liệu (data plane), mặt phẳng quản lý (management plane).
Mặt phẳng điều khiển: mặt phẳng này chứa đựng các cơ chế liên quan đến
thiết lập, cấp phát tài nguyên, giám sát các tuyến đường truyền cho dữ liệu khách hàng. Mặt phẳng điều khiển gồm 3 khối chức năng cơ bản: điều khiển quản trị (admission control), định tuyến QoS (QoS routing) và dành trước tài nguyên (resource reservation). Hình 2-3 thể hiện lưu đồ xử lý QoS trong mặt phẳng điều khiển.
o Yêu cầu truyền dữ liệu được kích hoạt bởi các ứng dụng (Ví dụ một
cuộc gọi video phone). Trước tiên yêu cầu này sẽ được ánh xạ sang lớp dịch vụ (CoS) và được kiểm tra về tính hợp lệ của yêu cầu thông qua việc xác thực (admission control).
o Nếu yêu cầu được chấp nhận, quá trình định tuyến (routing) được tiến
hành, nút mạng sẽ phải tính toán đường đi phù hợp với yêu cầu của dịch vụ. Khác với các dịch vụ “cố gắng tối đa” (best effort), các dịch vụ thời gian thực rất nhạy cảm với trễ, rung pha…Do vậy, không thể sử dụng định tuyến best-effort như trên mạng IP hiện nay mà cần đến định tuyến QoS - định tuyến trên cơ sở các ràng buộc QoS.
oSau quá trình định tuyến QoS là việc dành trước tài nguyên cho luồng
Admission Control (Quản trị/xác thực)
Routing (Định tuyến)
Reservation (Dành trước tài nguyên)
1
2
3 4
5 6
Yêu cầu kết nối
Các tham số QoS nguồn và đích
Tuyến khả thi Kết quả Reservation
Kết quả
Đáp ứng yêu cầu kết nối
Hình 2-3. Lƣu đồ xử lý về QoS trong mặt phẳng điều khiển
Mặt phẳng dữ liệu: mặt phẳng dữ liệu chứa đựng các cơ chế liên quan trực
tiếp đến luồng dữ liệu khách hàng, những cơ chế ở đây bao gồm: quản lý bộ đệm (buffer management), tránh tắc nghẽn (congesion avoidance), packet marking, xếp hàng (queuing), đánh lịch (scheduling), phân lớp dữ liệu (traffic classifiction), chính sách lưu lượng (traffic policing) và trafic shaping:
o Quản lý bộ đệm (hoặc hàng đợi): chức năng này xử lý việc đợi
phát, lưu gói hoặc huỷ gói tin. Mục tiêu chính của việc quản lý hàng đợi là giảm thiểu các không gian cần cho hàng đợi cũng như phòng ngừa trường hợp một hàng đợi của luồng đơn nào đó chiếm hết không gian của các hàng đợi khác. Các cơ chế quản lý hàng đợi khác nhau chính ở chỗ khi nào thì loại bỏ gói tin, gói tin nào sẽ bị loại bỏ (ví dụ đầu hay cuối hàng đợi).
o Tránh tắc nghẽn: chức năng này giám sát và điều khiển tải của
mạng ở dưới mức ngưỡng về năng lực xử lý. Việc này được thực hiện bằng việc yêu cầu phía gửi giảm lưu lượng đến khi nghẽn xảy ra hay chuẩn bị xảy ra, cơ chế cửa số thường được sử dụng ở đây (ví dụ trong giao thức TCP).
o Đánh dấu gói: chức năng này thực hiện việc ánh xạ các gói tin vào
các lớp dịch vụ căn cứ vào yêu cầu QoS của dịch vụ, đánh dấu gói gán các mã nhận dạng gói tin vào mào đầu của gói, việc này thường được thực hiện ở các node biên, ví dụ: gán code point khi gói tin đi vào một vùng mạng DiffServ. Nếu việc này được thực hiện bởi host
thì thông số này có thể được kiểm tra và thay đổi bởi các node biên căn cứ trên sự thoả thuận dịch vụ SLA hoặc các chính sách cục bộ.
o Xếp hàng và đánh lịch: chức năng này xử lý việc lựa chọn các gói
phát đi, nguyên tắc cơ bản của xếp hàng là FIFO (gói vào trước thì ra trước), với cách này các gói được đối xử như nhau. Tuy nhiên để việc đối xử với các loại gói khác nhau một cách linh hoạt hơn, công bằng hơn một số kiểu hàng đợi khác nhau được sử dụng thay vì một hàng đợi duy nhất: (1) Hàng đợi công bằng (fair queuing): các gói được phân lớp vào các luồng và gán vào các hàng đợi tương ứng, hàng đợi sau đó được đánh lịch chuyển đi theo kiểu round-robin; (2) Hàng đợi ưu tiên (Priority queuing): các gói được phân lớp sau đó được đặt vào các hàng đợi có độ ưu tiên khác nhau, gói được đánh lịch phát từ đầu một queu nào đó chỉ khi những hàng đợi có ưu tiên cao hơn đã được phát hết; (3) Weighted fair queuing: các gói được phân lớp thành các luồng và gán vào các hàng đợi ứng với các luồng, mỗi hàng đợi được gán một số phần trăm của băng thông hướng ra theo băng thông cần của luồng tương ứng, với sự phân biệt theo độ dài các gói tin, cách tiếp cận này tránh được trường hợp các luồng với các gói tin lớn chiếm nhiều băng thông hơn các luồng có kích thước gói tin nhỏ hơn; (4) Class-based queuing: các gói được phân lớp thành các lớp dịch vụ và sau đó gán vào hàng đợi tương ứng với lớp dịch vụ, mỗi hàng đợi được gán một số phần trăm của băng thông của hướng ra và được đánh lịch theo kiểu round-robin.
o Phân lớp lưu lượng: tại miền biên của mạng, chức năng này phân
lớp lưu lượng căn cứ vào một số thông tin trên trường mào đầu của gói bao gồm địa chỉ nguồn, đích, port nguồn, port đích, loại giao thức, code point trong DiffServ .. để xác định gói thuộc lớp nào để có các xử lý thích hợp.
o Sắp xếp lưu lượng (traffic sharping): điều khiển tốc độ và lưu lượng
gói tin vào và ra khỏi một nút mạng để tránh hiện tượng bùng nổ (bursty) và dễ kiểm soát hơn. Ở đây nguời ta thường sử dụng hai kỹ thuật là thùng rò (leaky bucket) và thùng thẻ (token bucket).
Mặt phẳng quản lý: mặt phẳng quản lý chứa đựng khối chức năng liên
quan đến các khía cạnh quản lý luồng dữ liệu bao gồm: định lượng (metering), thoả thuận dịch vụ (SLA) và khôi phục luồng dữ liệu (traffic
Hình 2-4 thể hiện mô hình QoS trong mặt phẳng quản lý.
Hình 2-4. Mô hình về QoS trong mặt phẳng quản lý
o Định lượng: giám sát các thông số hiện thời của luồng dữ liệu
khách hàng và so sánh với mức được thoả thuận về dịch vụ, tuỳ theo mức độ tuân thủ, chức năng này có những hành động thích hợp (droping hay sharpinp).
o Thỏa thuận dịch vụ: là sự thoả thuận về dịch vụ giữa khách hàng và
nhà cung cấp dịch vụ về các yêu cầu của dịch vụ mà khách hàng muốn sử dụng (chất lượng dịch vụ: băng thông, tính sẵn sàng, giá thành...). Các tham số tổng quát trong SLA được định nghĩa trong khuyến nghị Y.1540 của ITU hoặc các tài liệu kỹ thuật của Intserv và Diffserv (sẽ được xem xét sau).
o Khôi phục luồng dữ liệu: thực hiện chức năng khôi phục các luồng
dữ liệu khi mạng có sự cố, sự cố ở đây có thể là sự cố của các phần tử mạng hay các tuyến kết nối trong mạng.
2.4. Giải pháp QoS cho các đoạn mạng FMC 2.4.1. Giải pháp QoS trên mạng lõi 2.4.1. Giải pháp QoS trên mạng lõi
Mạng lõi chuyển tải IP cho mạng FMC có thể là mạng lớn và cấu trúc tương tự như mạng Internet. Mạng Internet hiện nay là tập hợp của các AS, mỗi AS có thể coi là một miền mạng dưới sự quản trị của một nhà quản trị riêng (còn gọi là domain). Do các tính chất của các giao dịch trong một AS và giữa các AS khác nhau nên trên Internet hình thành một cách tự nhiên cấu trúc phân cấp gồm hai cấp, nội miền (intra-domain) và liên miền (inter-domain). Hình 2-5 dưới đây thể hiện mô hình QoS nội miền và liên miền, [8], [3].
Hình 2-5. Mô hình QoS nội miền và liên miền
Các giải pháp, đề xuất liên quan đến vấn đề QoS của mạng IP thường phải giải quyết cả 2 vấn đề QoS nội miền và liên miền. IP và mạng Internet là trọng tâm trong các nghiên cứu của tổ chức IETF, E2E QoS trong mạng IP nội miền và liên miền được IETF đưa ra trong 2 kiến trúc dịch vụ tích hợp (Integrated Services hay IntServ) và dịch vụ phân biệt (Differentiated Services hay DiffServ) tương ứng.
2.4.1.1. Dịch vụ tích hợp - Intserv
Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng trong việc cung cấp dịch vụ thời gian thực (thoại, video, dữ liệu đồng thời…) và băng thông cao (đa phương tiện) dịch vụ tích hợp Intserv đã ra đời nhằm cung cấp tối đa dịch vụ truyền thống và các dịch vụ thời gian thực, [8]. Hình 2-6 dưới đây mô tả mô hình dịch vụ IntServ:
Hình 2-6. Mô hình dịch vụ IntServ
Tổng quan của phương pháp này là cung cấp mô hình dịch vụ cho Internet, liên quan tới mô hình truyền thống dựa trên dịch vụ tốt nhất và lớp Internet IP. Giải pháp này yêu cầu router QoS phải lưu thông tin của tài nguyên còn lại (dung lượng của liên kết, không gian bộ đệm, khả năng tính toán của bộ chuyển tiếp…) sau cấp phát cho một luồng. Để thực hiện được điều này router
phải xác định và lưu trữ thông tin của luồng và đòi hỏi có sự thay đổi trong mô hình Internet (trạng thái mạng chỉ được lưu trữ ở đầu cuối).
Mục đích của mô hình này là áp dụng cho cả luồng từ nguồn cho tới đích, luồng này yêu cầu phải được bảm bảo QoS. Trạng thái được cấu hình động trong suốt quá trình thiết lập tuyến đường. Hoạt động này đòi hỏi phải có cơ chế điều khiển việc chấp nhận luồng và giao thức báo hiệu (giao thức dành trước tài nguyên RSVP). 4 dịch vụ được định nghĩa trong mô hình dịch vụ IntServ:
Dịch vụ đảm bảo (GS): áp dụng cho các dịch vụ với độ trễ của dịch vụ
được xác định trước.
Dịch vụ đảm bảo điều khiển tải (CLS): áp dụng cho các dịch vụ với độ
trễ của dịch vụ với đặc điểm thống kê.
Dịch vụ chia sẻ liên kết: là dịch vụ phân cấp chia sẻ
Dịch vụ nỗ lực tối đa (Best Effort).
Hình 2-7 dưới đây mô tả mô hình IntServ sử dụng giao thức RSVP:
Điều khiển luồng
Tác nhân định tuyến
Bảng định tuyến
Tác nhân thiết lập
dành riêng Tác nhân quản lí
Điều khiển chấp nhận
Cơ sở dữ liệu điều khiển lưu lượng
Thiết bị đầu vào Bộ phân loại Bộ lập lịch
Đầu ra hàng đợi luồng Resv luồng Resv RSVP Hình 2-7. Mô hình IntServ sử dụng RSVP
Trong mô hình này có một số thành phần tham gia như:
Giao thức thiết lập: Setup cho phép các máy chủ và các bộ định tuyến dự
trữ động tài nguyên trong mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng riêng, RSVP, Q.2931 là một trong những giao thức đó.
Đặc tính luồng: xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho luồng
riêng biệt. Luồng được định nghĩa như một luồng các gói từ nguồn đến đích có cùng yêu cầu về QoS. Về nguyên tắc, có thể hiểu đặc tính luồng
như băng tần tối thiểu mà mạng bắt buộc phải cung cấp để đảm bảo QoS cho luồng yêu cầu.
Điều khiển lưu lượng: trong các thiết bị mạng (máy chủ, bộ định tuyến,
chuyển mạch) có thành phần điều khiển và quản lý tài nguyên mạng cần thiết để hỗ trợ QoS theo yêu cầu. Thành phần điều khiển lưu lượng bao gồm:
o Điều khiển chấp nhận: xác định thiết bị mạng có khả năng hỗ trợ
QoS theo yêu cầu hay không.
o Thiết bị phân loại: nhận dạng và lựa chọn lớp dịch vụ dựa trên nội
dung của một số trường nhất định trong mào đầu gói.
o Thiết bị lập lịch: cung cấp các mức chất lượng dịch vụ QoS trên
kênh ra của thiết bị mạng.
Mỗi node mạng (router) được chia làm hai phần: xử lý cơ bản và chuyển tiếp lưu lượng.
o Xử lý cơ bản: đảm nhận các chức năng như định tuyến, thiết lập và
duy trì tài nguyên mạng và điều khiển quản lí.
o Xử lý trong chuyển tiếp lưu lượng: dựa trên thông tin trong cơ sở
dữ liệu để phân loại lưu lượng và đưa lưu lượng vào hàng đợi.
Giao thức dành trƣớc tài nguyên (RSVP):
Để đảm bảo yêu cầu về chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng cụ thể, tài nguyên của mạng phải được đăng ký, được mạng chấp nhận và cung cấp trước khi kết nối được thiết lập và thực hiện việc trao đổi số liệu của ứng dụng. Việc đăng ký trước tài nguyên mạng được thực hiện trên cơ sở giao thức dành tài nguyên (Resource Reservation Protocol – RSVP), được thể hiện trên Hình 2-8.
S R1 R2 R3 Rx RSVP Resv Path Path Resv Path Resv Path Resv Hình 2-8. Giao thức RSVP
RSVP là giao thức chuẩn (RFC 2205) Internet IETF, cho phép các ứng dụng dự trữ băng thông mạng một cách linh động, RSVP cũng cho phép các ứng dụng yêu cầu một QoS cụ thể đối với mỗi luồng dữ liệu. Giao thức RSVP cho phép:
Thiết bị đầu cuối nguồn xác định tuyến đường đến thiết bị đầu cuối đích
và đưa ra yêu cầu về chất lượng dịch vụ luồng số liệu của mình thông qua thông báo PATH.
Trên cơ sở kết quả định tuyến ở trên, thiết bị đầu cuối đích thực hiện đăng
ký tài nguyên mạng cần thiết bằng thông báo RESV tại các hệ định tuyến dọc đường chuyển tiếp để đảm bảo các yêu cầu về lưu lượng trong quá trình trao đổi số liệu.
Hình 2-9 thể hiện cơ chế làm việc của RSVP.
Thiết bị đầu cuối nguồn Thiết bị đầu cuối đích Quản lý chính sách Điều khiển truy nhập Tiến trình RSVP Bảng định tuyến
Phân loại gói số liệu Lập lịch phát gói số liệu Quản lý chính sách Điều khiển truy nhập Tiến trình RSVP Bảng định tuyến
Phân loại gói số liệu
Lập lịch phát gói số liệu Hƣớng đăng ký
RESV
Hình 2-9. Cơ chế làm việc của RSVP
Thông điệp Resv mang tham số dịch vụ. Thông điệp Path bắt đầu từ nguồn và được gửi tới đích. Mục đích chính của nó là để router biết trên liên kết nào sẽ chuyển tiếp thông điệp dành tài nguyên (nó cũng bao gồm định nghĩa về đặc điểm lưu lượng của luồng). Thông điệp Error được sử dụng khi việc dành tài nguyên thất bại. RSVP không phải là một giao thức định tuyến, do đó nó không cần xác định liên kết nào sẽ được dùng để dành trước mà nó dựa vào các giao thức định tuyến bên dưới để xác định tuyến đường cho một luồng. Một khi tuyến đường được xác định, RSVP bắt đầu thực hiện việc dành trước tài nguyên. Trong suốt quá trình thiết lập để dành tài nguyên, RSVP phải được thông qua mô đun điều khiển về chính sách và mô đun quản lý về việc chấp nhận tuyến đường. Mô đun điều khiển về chính sách xác định xem người dùng có đủ thẩm
quyền để dành được nguồn tài nguyên hay không. Thành phần chấp nhận tuyến đường xác định xem nút đó có đủ tài nguyên để cung cấp cho yêu cầu QoS hay không. Nếu cả hai bước kiểm tra đều tốt, các tham số được thiết lập trong bộ phân loại gói và trong bộ lập lịch để đạt được QoS mong muốn. Tiến trình này được thực hiện tại mọi router và máy tính dọc theo tuyến đường. Nếu có xảy ra lỗi, thông điệp RSVP Error được tạo và quảng bá cho mọi nút.
Một đặc điểm quan trọng của RSVP là việc dành tài nguyên được thực hiện bởi “trạng thái mềm”. Có nghĩa là trạng thái dành tài nguyên có liên quan tới một bộ định thời và khi bộ định thời hết hạn, việc dành trước tài nguyên được loại bỏ. Nếu nơi nhận muốn lưu lại trạng thái dành tài nguyên nào, nó phải đều đặn gửi các thông điệp dành tài nguyên. Nơi gởi cũng phải thường xuyên gửi các thông điệp này. RSVP được thiết kế dành cho kiến trúc Intserv nhưng vai trò của nó cũng được mở rộng cho giao thức báo hiệu trong MPLS.
2.4.1.2. Dịch vụ phân biệt - Diffserv
Việc đưa ra mô hình IntServ đã có vẻ như giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến QoS trong mạng IP. Tuy nhiên trên thực tế, mô hình này không thực sự đảm bảo được QoS xuyên suốt (end-to-end) do chỉ áp dụng được cho những mạng có số các luồng dữ liệu là nhỏ. Đã có nhiều cố gắng để thay đổi điều này nhằm đạt được một mức QoS cao hơn cho mạng IP và một trong những cố gắng đó là sự ra đời của mô hình dịch vụ phân biệt Diffserv. DiffServ sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để hỗ trợ các dịch vụ ưu tiên qua mạng IP. [8]
Nguyên tắc cơ bản của DiffServ như sau:
o Định nghĩa một số lượng nhỏ các lớp dịch vụ hay mức ưu tiên. Một
lớp dịch vụ có thể liên quan đến đặc tính lưu lượng (băng tần min –