3.1. Mở rộng đảm bảo chất lượng dịch vụ cho OSPF [7] [12]
3.1.2. Mã hóa tài nguyên khi TOS mở rộng
Bởi vì các mở rộng QoS cho OSPF sẽ tương thích với các router OSPF phiên bản hai hiện có, nên các mở rộng trong các định dạng gói tin sẽ được định nghĩa với mục đích là hiểu, lờ đi, hoặc hiểu sai mức độ nhẹ bởi các router OSPF phiên bản hai. Việc mã hóa các metric QoS trong trường TOS làm cho nó có thể bắt chước tính năng mới này như khả năng TOS mở rộng. Những định nghĩa này đã bị coi nhẹ hoặc xem xét một cách không rõ ràng bởi các bộ định tuyến OSPF phiên bản hai. Thông qua việc sử dụng bit thứ năm trong trường TOS, có 32 tổ hợp khác nhau có sẵn cho các tài nguyên QoS. Kể từ khi trường TOS được định nghĩa là bốn bit dài, thì định nghĩa này khơng xung đột với các giá trị hiện có. Bởi vì một số việc triển khai không thể nạp tất cả các bit trong trường TOS vào tính tốn, các giá trị của băng thông và độ trễ được ánh xạ lên “khả năng cho qua lưu lượng tối đa” và “độ trễ tối thiểu” nếu bit có ý nghĩa nhất được bỏ đi. Bảng 3.2 và 3.3 mô tả TOS và QoS trong OSPF.
Bảng 3.2. Mã hóa các giá trị TOS RFC 1349
Mơ tả thập phân Mô tả nhị phân Ghi chú
0 0000 Dịch vụ thông thường 2 0001 Giá cực tiểu 4 0010 Độ tin cậy lớn nhất 6 0011 8 0100 Thông lượng lớn nhất 10 0101 12 0110 14 0111 16 1000 Trễ nhỏ nhất 18 1001
20 1010 22 1011 24 1100 26 1101 28 1110 30 1111
Bảng 3.3. Mã hóa các giá trị QoS RFC 2676
Mô tả thập phân Mô tả nhị phân Ghi chú
32 10000 34 10001 36 10010 38 10011 40 10100 Băng thông 42 10101 44 10110 46 10111 48 11000 Trễ 50 11001 52 11010 54 11011 56 11100 58 11101 60 11110 62 11111
3.1.3. Mã hóa băng thơng
Bởi vì trường metric có trong gói tin OSPF thực sự chỉ cung cấp 16 bits để mã hóa băng thông, trong khi các liên kết có thể hỗ trợ băng thông lên tới Gbit/s đang dần trở thành hiện thực, nên sự biểu diễn tuyến tính số liệu nguồn tài nguyên khả dụng là không khả thi. Giải pháp mô tả trong RFC 2676 là thực hiện mã hóa theo luật mũ bằng cách sử dụng một cách thích hợp giá trị cơ số được lựa chọn ngầm định và một số lượng nhất định các bit cho việc mã hóa
phần hệ số và số mũ. Ở đây sử dụng con số 8 làm cơ số xây dựng một hệ thống số, ba bit ý nghĩa nhất dành riêng cho phần số mũ và 13 bit còn lại dành cho phần hệ số. Điều này cho phép so sánh đơn giản qua hai con số được mã hóa trong cùng một định dạng, và thường là hữu dụng trong suốt thời gian thực thi. Bảng sau chỉ ra các phạm vi băng thông khi sử dụng các số mũ khác nhau và độ chi tiết của việc lưu trữ có thể chấp nhận được.
Bảng 3.4. Phạm vi của các giá trị mũ cho 13bit, dựa vào mã hóa 8
Giá trị mũ của x Phạm vi x 8 * ) 1 2 ( 13 Bước x 8 0 8,191 1 1 65,528 8 2 524,224 64 3 4,193,792 512 4 33,550,336 4,096 5 268,402,688 32,768 6 2,147,221,504 262,144 7 17,177,772,032 2,097,152
Quy tắc mã hóa băng thơng này có thể được hiểu là: miêu tả băng thông khả dụng trong trường 16 bit với 3 bit mũ đứng trước và 13 bit tiếp theo cho phần cơ số định trị. Vì vậy, mã hóa trên tạo thành một thơng báo nhị phân có giá trị số từ 1 cho tới 216 1(việc mã hóa băng thơng khả dụng theo cơ số 2). Điều này có đặc tính của việc thông báo một giá trị số cao hơn cho băng thông khả dụng thấp hơn. Khái niệm này khá hợp lý với khái niệm về chi phí. Mặc dù nó có vẻ hơi mơ phạm để nhấn mạnh về đặc tính băng thơng nhỏ được biểu diễn các giá trị cao hơn, nhưng bên cạnh đó nó cũng có tính nhất quán. Một router với một sự thực thi OSPF tồi có thể hiểu sai số liệu băng thông như chi phí thơng thường cung cấp cho nó và tính tốn các cây mở rộng với một thuật toán Dijkstra “thơng thường”.
Một ví dụ để có thể làm rõ những điều này: chúng ta hãy giả sử rằng một liên kết với băng thông 8Gbits/s10243byte/s. Mã hóa của nó sẽ là
6 3 4096*8
1024 trong đó độ chi tiết (giãn cách thang) là 86 (xấp xỉ 260kByte/s). Việc miêu tả số nhị phân kết hợp sẽ là 1101 0000 0000 0000 hoặc 53248. Chi phí băng thơng của liên kết này, khi không dùng đến, là phần bù cơ số 2 của
biểu diễn nhị phân ở trên, nghĩa là, 0010 1111 1111 1111 tương ứng với một giá trị thập phân 16
(2 1) 53248 12287 . Nếu chúng ta chỉ có 1600Mbits/s băng thơng có sẵn trên liên kết, việc mã hóa băng thơng này sẽ là 6400*85, tương ứng với độ chi tiết thang là 85(xấp xỉ 30kBytes/s), và có một biểu diễn nhị phân 1011 1001 0000 0000 hoặc giá trị thập phân 47360. Chi phí thơng báo của liên kết với mức độ tải này là 0100 0110 1111 1111 hoặc (216 1)4736018175. Băng thơng sẵn có trên liên kết càng ít thì chi phí càng nhiều. Ngồi ra cũng đạt được mục tiêu về độ chi tiết tốt hơn cho các liên kết với băng thông hẹp hơn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các metric đưa ra trong các ví dụ trước đây phù hợp với giải pháp của mã hóa đã được đề xuất, thứ sẽ không phải luôn ln có trong cuộc sống thực. Tiêu chuẩn thơng thường là làm trịn giá trị băng thông khả dụng đến con số gần nhất. Bởi vì chúng ta đang quan tâm đến giá trị chi phí, chúng ta chọn để làm trịn lên các chi phí và do đó băng thơng giảm xuống.
3.1.4. Mã hóa trễ
Trễ được mã hóa theo µs bằng cách sử dụng cùng một phương pháp theo hàm mũ như mô tả về băng thơng, ngồi trừ cơ sở đó được xác định là 4 thay vì 8. Vì vậy, trễ lớn nhất có thể được thể hiện là 13 7
4 * ) 1 2 ( (xấp xỉ 134s).
3.2. Các cơ chế thực hiện mở rộng QoS cho OSPF
3.2.1. Các thuật tốn và thơng tin lựa chọn đường dẫn
Phần này mô tả một vài thuật toán lựa chọn đường dẫn, thứ có thể được sử dụng để tạo ra các tuyến đường có khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ dựa trên các sự thỏa hiệp khác nhau giữa độ chính xác, độ phức tạp tính tốn, và không bị ràng buộc của việc thực thi.
3.2.1.1. Các thơng số
Như đã nêu ở trên, q trình lựa chọn một đường dẫn mà có thể thỏa mãn các yêu cầu QoS của một luồng lưu lượng mới dựa vào cả hai hiểu biết về các yêu cầu và các đặc điểm của luồng lưu lượng đó, và thơng tin về sự sẵn có của nguồn tài nguyên trong mạng. Ngoài ra, điều cũng rất quan trọng đối với thuật tốn là tính tốn tổng số lượng tài nguyên tiêu thụ để hỗ trợ một luồng lưu lượng mới. Nhìn chung, mạng ưa lựa chọn “giá thấp nhất” hơn trong số tất cả các đường dẫn thích hợp cho một luồng lưu lượng mới. Hơn nữa, mạng lưới cũng có thể quyết định từ chối một luồng lưu lượng mới khi mà chi phí cho đường đi của
nó được cho là quá cao. Các vấn đề như vậy trong vùng chấp nhận cuộc gọi nhiều hơn trong vùng lựa chọn đường dẫn, nhưng việc cung cấp khả năng để tính tốn cho các khía cạnh này ảnh hưởng đến một vài số liệu mà các quá trình lựa chọn đường dẫn dựa vào. Kết quả là, chúng ta xem xét các metric sau đây:
Băng thông khả dụng của liên kết: Đây là một tham số quan trọng, băng
thông khả dụng của một liên kết liên quan đến dung lượng không sử dụng hay là dự phịng của liên kết đó trong 1 khoảng thời gian nhất định. Băng thông khả dụng phụ thuộc vào lưu lượng đang có trên mạng tức là phụ thuộc vào độ chiếm dụng băng thông của lưu lượng đang tồn tại trên mạng. Như vậy băng thông khả dụng thay đổi theo thời gian.
Tổng số chặng: Số lượng chặng này được sử dụng như số đo chi phí
đường dẫn tới mạng. Một đường dẫn với một số lượng chặng nhỏ hơn (cái mà có thể hỗ trợ một kết nối được yêu cầu) là thích hợp hơn vì nó tiêu thụ ít tài nguyên mạng hơn.
Chính sách: Các chính sách được sử dụng để lược bớt các liên kết mạng
khơng tương thích, sự thực thi hoặc mức độ mơ tả đặc tính, với các nhu cầu của một luồng lưu lượng. Việc sử dụng các chính sách để xử lý các yêu cầu cụ thể cho phép đơn giản hóa đáng kể trong việc tối ưu hóa được thực hiện bằng các thuật toán lựa chọn đường dẫn.
3.2.1.2. Các thuật toán lựa chọn đường dẫn [13]
Có một vài hướng cho các thuật toán lựa chọn đường dẫn. Các hướng chính gồm các tiêu chuẩn tối ưu hóa mà việc chọn đường dựa trên đó, topo chính xác mà trên đó nó tiến hành chọn và thời điểm nó được gọi tới. Như đã đề cập, việc gọi tới thuật toán lựa chọn đường dẫn có thể là do luồng lưu lượng hoặc do những thay đổi trong các trạng thái liên kết khi thuật tốn sử dụng cho phép tính tốn trước các đường dẫn. Topo mà trên đó thuật tốn chạy được, như với việc lựa chọn đường dẫn OSPF tiêu chuẩn, có thể là một sơ đồ có hướng trong đó đỉnh bao gồm các router và các mạng (các đỉnh chuyển tiếp) cũng như các stub-network (các đỉnh khơng chuyển tiếp). Khi tính tốn một đường dẫn, các stub-network được thêm vào như là một bước xử lý bổ sung tương tự như của thuật tốn OSPF tiêu chuẩn.
Các tiêu chí tối ưu hóa được sử dụng bởi việc lựa chọn đường dẫn được phản ánh trong các chi phí liên quan đến mỗi giao diện trong topo và làm thế
nào các chi phí này được tính tốn cho bản thân thuật tốn. Như đã đề cập trước đó, chi phí của đường dẫn là một hàm của số lượng chặng và lượng băng thông khả dụng. Kết quả là, mỗi giao diện được gán một thông số tương ứng với lượng băng thơng vẫn cịn có sẵn trên giao diện này. Thông số này được kết hợp với thông tin số lượng chặng để cung cấp một giá trị chi phí sử dụng trong thuật tốn lựa chọn đường dẫn. Việc nó được sử dụng như thế nào phụ thuộc vào dạng chính xác của thuật tốn, nhưng tất cả sự lựa chọn mô tả trong mục này chia sẻ một mục đích chung. Tất cả chúng nhằm mục đích chọn một đường dẫn với số lượng chặng nhỏ nhất mà vẫn có thể hỗ trợ băng thông yêu cầu. Khi một vài đường dẫn như vậy sẵn có, sự ưu tiên dành cho đường dẫn với băng thông khả dụng (nghĩa là giá trị nhỏ nhất trên bất kỳ liên kết nào trên đường dẫn) là lớn nhất. Lý do cơ bản cho quy tắc trên là: ta tập trung vào những đường dẫn khả thi (tính tốn bởi thơng số băng thơng khả dụng) mà tiêu thụ một lượng tối thiểu các tài nguyên mạng (tính tốn bởi thơng số số lượng chặng); và quy tắc cho việc lựa chọn trong các đường dẫn này nhằm mục tiêu cân bằng tải cũng như là hợp lý hóa tối đa băng thơng u cầu sẽ thực sự có sẵn. Nó sẽ được đề cập đến trong một vài sự quan tâm cần thiết để đảm bảo một sự tương ứng với các đỉnh trong cơ sở dữ liệu topo và số lượng chặng. Đó là bởi vì, như đã đề cập trước đó, các mạng cũng tương ứng với các đỉnh trong topo. Do đó, chúng được gắn kết với các cạnh nhưng sẽ chỉ được tính như là một chặng. Vấn đề này có thể được xử lý dễ dàng thông qua việc sử dụng các cạnh zero-hop (chặng không) trong thuật toán. Cần lưu ý rằng, các thuật toán định tuyến tiêu chuẩn thường nhằm mục đích là tối ưu hóa khách quan mục tiêu quy chuẩn riêng rẽ, tức là chúng có thể tối thiểu số lượng chặng, hoặc tối đa hóa băng thơng đường dẫn, nhưng không phải là cả hai. Việc tối ưu hóa đường dẫn khách quan là một nhiệm vụ phức tạp hơn, và nói chung, nó là một vấn đề khó. Tuy nhiên, như chúng ta thấy, bởi vì bản chất cụ thể của hai mục tiêu là tối ưu hóa, sự phức tạp của thuật toán đề xuất là tương tự như là các thuật toán khách quan tiêu chuẩn riêng rẽ.
3.2.1.2.1. Thuật tốn cho các đường dẫn QoS được tính tốn trước chính xác
Trong phần này, ta mơ tả một thuật toán lựa chọn đường dẫn, thuật toán đưa ra topo mạng và các thơng số liên kết, cho phép chúng ta tính tốn trước tất cả các đường dẫn QoS có thể, và cũng có độ phức tạp tính tốn thấp hợp lý. Cụ thể, thuật toán cho phép chúng ta tính tốn trước cho bất cứ đích đến nào một đường dẫn có tổng số chặng là tối thiểu với băng thông tối đa, và có một độ phức tạp tính tốn có thể so sánh với độ phức tạp của một thuật toán đường dẫn
ngắn nhất tiêu chuẩn. Các thuật toán lựa chọn đường dẫn dựa trên thuật toán đường dẫn ngắn nhất Bellman-Ford (BF), một thuật tốn thích hợp để tính tốn các đường dẫn băng thông khả dụng lớn nhất cho tất cả các số chặng. Một đặc điểm của thuật tốn BF chính là tại lần lặp lại thứ h của nó, nó xác định đường
dẫn giữa nguồn và mỗi đích tối ưu hóa (chúng ta coi băng thơng lớn nhất) trong số các đường dẫn có tối đa h chặng. Vì vậy, chúng ta cũng tận dụng lợi thế là
thuật toán BF xử lý bằng cách tăng số lượng chặng, để chủ yếu nhận được số chặng của một đường dẫn như là một tiêu chí tối ưu hóa thứ hai. Cụ thể, tại lần lặp lại thứ k của thuật tốn, băng thơng khả dụng tối đa cho tất cả các đích đến
trên đường dẫn không quá k chặng được ghi lại, cùng với các thông tin định
tuyến tương ứng. Sau khi thuật tốn kết thúc, thơng tin này cho phép chúng ta xác định tất cả các đích và các yêu cầu băng thông, đường dẫn với số lượng chặng nhỏ nhất có thể và băng thơng đủ để đáp ứng các yêu cầu mới. Hơn nữa, đường dẫn này cũng là một đường dẫn với một băng thông khả dụng lớn nhất trong tất cả các đường dẫn khả thi với số chặng tối thiểu.
Bây giờ, chúng ta tiến hành với một mô tả chi tiết hơn của thuật toán và cấu trúc dữ liệu sử dụng để ghi lại thông tin định tuyến, nghĩa là: bảng định tuyến QoS được xây dựng khi thực hiện mã hóa giả cho thuật tốn này. Như đã đề cập trước đó, thuật tốn này hoạt động trên một sơ đồ có hướng bao gồm chỉ các đỉnh chuyến tiếp (các bộ định tuyến và các mạng), với stub-networks rồi sau đó thêm vào đường dẫn (hoặc các đường dẫn) được tạo ra bởi thuật toán. Các số liệu kết hợp với mỗi cạnh của sơ đồ là băng thơng sẵn có trên giao diện tương ứng. Cho bn m, là băng thông khả dụng trên cạnh giữa các đỉnh n và m. Các đỉnh
tương ứng với router nơi mà thuật toán đang chạy, nghĩa là: các bộ định tuyến tính tốn được ký hiệu là nút nguồn cho mục đích lựa chọn đường dẫn. Thuật tốn tiến hành tính tốn trước các đường dẫn từ nút nguồn với tất cả các mạng đích khả dụng và cho tất cả các giá trị băng thông khả dụng. Tại mỗi bước lặp, kết quả trung gian được ghi lại vào một bảng định tuyến QoS, bảng này có cấu trúc như mơ tả dưới đây.
Bảng định tuyến QoS:
Một ma trận KH , với K là số lượng đích (các đỉnh trong sơ đồ) và H là số chặng tối đa cho phép (hoặc có thể ) cho một đường dẫn.
Phần tử (n; h) được xây dựng trong suốt h bước lặp (giá trị tính tốn
o b là băng thông khả dụng lớn nhất trên đường dẫn của tối đa h
chặng giữa nút nguồn (router) và nút đích n
o Hàng xóm: đây là thơng tin định tuyến kết hợp với đường dẫn có h
(hoặc ít hơn) chặng đến đích nút n, băng thơng khả dụng của nó là
b. Đặc tính cụ thể của thông tin này phụ thuộc vào phạm vi của