2.1. Định tuyến QoS nội miền
2.1.1. Vấn đề thuật toán lựa chọn đường đi
Các phương pháp được sử dụng bởi các thuật toán định tuyến dựa trên QoS tính tốn đường dẫn đa ràng buộc thì thường theo một thỏa hiệp giữa sự tối ưu của đường dẫn và độ phức tạp của thuật toán. Các nghiên cứu của các thuật tốn tính tốn đường dẫn mới nhằm cải thiện độ phức tạp và chất lượng của đường dẫn vẫn còn là một vấn đề mở trong lĩnh vực định tuyến dựa trên QoS.
2.1.1.1. Quá tải trong thuật toán định tuyến dựa trên QoS động
Mục tiêu của giao thức định tuyến dựa trên QoS có thể bị thỏa hiệp bởi việc áp đặt thêm tải trong mạng. Tải trọng được giới thiệu bởi các phương pháp định tuyến dựa trên QoS bao gồm:
Quá tải xử lý do việc tính tốn thường xun hơn và phức tạp hơn.
Việc lưu trữ bổ sung cần thiết để hỗ trợ các giao thức định tuyến dựa trên QoS.
Các quá tải truyền thông gây ra bởi sự gia tăng lượng thông tin định tuyến được trao đổi trong mạng.
Cần lưu ý rằng tất cả những yếu tố này tác động chặt chẽ tới khả năng mở rộng mạng, tức là khả năng mở rộng trở thành một vấn đề phải được giải quyết bởi bất kỳ đề xuất định tuyến dựa trên QoS nào.
Các quá tải xử lý gây ra bởi định tuyến dựa trên QoS là do 2 yếu tố chính, cụ thể là, sự phức tạp của thuật tốn tính tốn đường dẫn và tần suất tính tốn đường dẫn. Vì số các ràng buộc cần được thỏa mãn bởi các thuật toán định tuyến ngày càng tăng lên. Độ phức tạp của thuật tốn tính tốn đường dẫn trở lên cao hơn, đòi hỏi khắt khe hơn trong việc xử lý các nguồn tài nguyên. Sau đó, trong trường hợp của phương pháp tính tốn trước đường dẫn, các đường dẫn đảm bảo QoS đã cài đặt bảng định tuyến phải được cập nhật tình trạng mạng, và trong trường hợp tính tốn đường dẫn theo yêu cầu, các đường dẫn phải được tính tốn lúc tiếp nhận u cầu kết nối. Trong bất kỳ cách định tuyến nào, thuật
tốn tính tốn đường dẫn được sử dụng thường xuyên hơn trong các giao thức định tuyến truyền thống, do đó địi hỏi xử lý các nguồn tài nguyên nhiều hơn. Mặc dù hầu hết các đề xuất định tuyến dựa trên QoS sử dụng tính tốn đường dẫn theo yêu cầu, cách định tuyến này có hai nhược điểm. Thứ nhất, nó gây ra trễ trước khi bắt đầu chuyển tiếp lưu lượng. Thứ hai, nó địi hỏi phải áp dụng các thuật tốn tính tốn đường đi cho mỗi yêu cầu kết nối, do đó đưa thêm quá tải xử lý trên các bộ định tuyến, đặc biệt là khi tỷ lệ đến của các yêu cầu kết nối không cao. Tính tốn trước đường dẫn là cách tiếp cận khác để xử lý các vấn đề của q tải xử lý kết hợp với tính tốn đường dẫn theo yêu cầu do tác dụng phụ của sự thiếu chính xác cuối cùng của quyết định định tuyến [7]-[8].
Định tuyến dựa trên QoS làm tăng nhu cầu lưu trữ trong bộ định tuyến do sự tăng lượng thông tin trạng thái mạng và do kích thước của các bảng định tuyến dựa trên QoS. Thông tin được lưu giữ trong các bộ định tuyến bao gồm các metric mô tả trạng thái của các liên kết trong mạng như trễ, tỷ lệ mất mát và sử dụng, và dữ liệu thống kê về lưu lượng kết hợp được chuyển tiếp thông qua bộ định tuyến. Kích thước của các bảng định tuyến dựa trên QoS được xác định bởi loại lưu lượng sử dụng, và có thể thay đổi từ chỉ một đường vào cho mỗi đích đến trong mạng. Mặc dù định tuyến dựa trên QoS cần nhiều tài nguyên hơn, nhưng dung lượng bộ nhớ của các bộ định tuyến hiện tại hoàn toàn đủ khả năng đáp ứng, do đó nó khơng phải là một hạn chế nghiêm trọng cho việc triển khai các giải pháp định tuyến dựa trên QoS trong mạng.
Trong trường hợp các giao thức trạng thái liên kết, quá tải truyền thông là do tải của quá trình “flooding” sử dụng trong việc trao đổi thông tin trạng thái liên kết giữa các bộ định tuyến trong mạng. Do các bộ định tuyến cần phải cập nhật trạng thái mạng để hỗ trợ các quyết định định tuyến chính xác, thơng tin trạng thái cần phải được phân phối thường xuyên và vì thế có thể làm tăng q tải truyền thông. Tác động của vấn đề này phụ thuộc vào các yếu tố như số lượng các tham số QoS, thang thời gian của quyết định định tuyến, mơ hình định tuyến và sự tức thời của việc tính tốn đường dẫn. Giao thức định tuyến dựa trên QoS dựa trên sự thăm dị có thể cũng đưa ra quá tải truyền thông trong mạng. Trong trường hợp này, quá tải là do các bản tin thăm dò được sử dụng để thu thập trạng thái của liên kết trong mạng hoặc để kiểm tra đường dẫn thay thế cần thiết cho các yêu cầu kết nối cụ thể. Số chi phí truyền thơng do bản tin thăm dò tùy thuộc vào số lượng các bản tin tham dò ban hành, kích thước và tần suất phát ra của chúng. Các bản tin báo hiệu phát ra bởi các giao thức định tuyến dựa trên QoS, giao thức mà thực thi tính tốn đường dẫn theo yêu cầu và thiết lập
đường dẫn là các yếu tố khác góp phần vào chi phí truyền thơng. Các bản tin báo hiệu được sử dụng để yêu cầu tính tốn các đường dẫn cụ thể cho việc tính đường dẫn theo yêu cầu và để cài đặt đường dẫn đảm bảo QoS tương ứng trên các nút dọc theo các đường dẫn đảm bảo QoS. Cách tiếp cận này gây gia tăng cả về truyền thông và quá tải xử lý.
Việc giảm q tải truyền thơng có thể được thực hiện theo 2 cách bổ sung. Đầu tiên là giới hạn số lượng các bản tin định tuyến bằng cách giới hạn tần suất phát ra của bản tin cập nhật và bằng cách giới hạn số lượng các bộ định tuyến mà có đủ điều kiện để nhận bản tin cập nhật. Sự phân bố các bản tin cập nhật có thể được thực hiện ngay khi một sự thay đổi trạng thái xảy ra trong mạng. Tuy nhiên, cách tiếp cận này có thể dẫn đến q tải truyền thơng trên mạng và cũng có thể tạo ra sự bất ổn định. Thay vì phân phối các bản tin cập nhật ngay lập tức khi có một sự thay đổi, quá trình phân phối được điều khiển chung bởi chính sách kích hoạt. Quá trình “flooding” sử dụng bởi giao thức trạng thái liên kết gây ra lượng tải mà có thể tiêu thụ lượng tài nguyên quá mức trong mạng, đặc biệt là khi sử dụng trong các định tuyến có hoạch định dựa trên QoS. Việc lựa chọn các giải pháp “flooding” phù hợp có thể giảm chi phí gây ra bởi sự phát ra của các bản tin cập nhật trạng thái liên kết trên toàn mạng.
Thứ hai là giảm kích thước của bản tin định tuyến. Sự quảng bá các số liệu định lượng, thay vì quảng bá các giá trị tức thời, là một phương pháp phổ biến để tránh các quá tải truyền thông quá mức của các giao thức định tuyến động. Cách tổ chức phân cấp của mạng cho phép kết hợp thông tin định tuyến giữa các cấp độ khác nhau và làm giảm lượng thông tin phải được phân phối và lưu trữ, trong khi giảm số lượng các thiết bị định tuyến liên quan đến việc trao đổi thông tin định tuyến. Các tư tưởng chiến lược cho việc kết hợp thông tin định tuyến phải có trong việc xem xét mức độ của sự kết hợp và hiệu quả hoạt động định tuyến.
Khi kích thước của mạng phát triển, tải gây ra bởi các giải pháp định tuyến dựa trên QoS có thể trở nên quá mức, ảnh hưởng đến hiệu năng mạng. Vấn đề mở rộng quy mô liên quan đến lượng thông tin chảy trên mạng, tới sự phức tạp của thuật tốn tính tốn đường dẫn, và tới lượng thơng tin lưu trữ và xử lý tại các bộ định tuyến. Các cơ chế có thể được sử dụng để điều khiển quá tải định tuyến và góp phần vào việc mở rộng quy mô bao gồm các số liệu định lượng và chính sách kích hoạt, lựa chọn flooding, tổng hợp thông tin và tính
Các quá tải kết hợp với định tuyến dựa trên QoS là một hạn chế quan trọng để triển khai nó. Cụ thể, q trình flooding sử dụng để phân phối thông tin trạng thái của mạng là một yếu tố quan trọng trong quá tải định tuyến dựa trên QoS. Quan điểm của các phương án định tuyến dựa trên QoS mới mà không dựa vào “flooding” hoặc khắc phục những khiếm khuyết của nó là một vấn đề cần được xem xét thêm.
2.2.1.2. Định tuyến dựa trên QoS theo thơng tin khơng chính xác
Việc sử dụng các thơng tin định tuyến khơng chính xác bởi thuật tốn tính tốn đường dẫn có thể gây ảnh hưởng tới việc thực thi của các giao thức định tuyến dựa trên QoS. Vì vậy, người ta mong muốn rằng tình trạng của mạng lưu giữ ở tất cả các router luôn được cập nhật và phản ánh tình trạng của mạng một cách chi tiết và đầy đủ. Tuy nhiên, có một số yếu tố ngăn khơng cho thực hiện mục tiêu này, như mô tả dưới đây.
Sự phân phối không thường xuyên của bản cập nhật trạng thái liên kết định tuyến là một trong những nguồn khơng chính xác của thông tin định tuyến. Trong trường hợp việc phân phối thông tin định tuyến được thực hiện định kỳ, những thay đổi trong trạng thái mạng xảy ra giữa hai lần cập nhật sẽ không được lan rộng, và do đó các đường dẫn đang sử dụng vẫn như cũ, dẫn đến phân phối lưu lượng khơng chính xác trong mạng. Một tình trạng tương tự xảy ra khi sự điều khiển việc phân phối các thông điệp định tuyến được thực hiện bởi các chính sách cập nhật, chẳng hạn như dựa trên ngưỡng hoặc dựa trên lớp. Nếu các thơng số điều khiển chính sách cập nhật được cấu hình với độ nhạy thấp để hạn chế lượng truyền thông quá tải, thông tin trạng thái liên kết trong các bộ định tuyến sẽ trở thành cũ và các thuật tốn tính tốn đường dẫn có thể đưa ra quyết định định tuyến sai.
Các đề xuất vận dụng thơng tin trạng thái khơng chính xác phải đối phó với một thỏa hiệp giữa quá tải giao thức cần thiết để giữ thông tin trạng thái cập nhật và sự thiếu chính xác phát sinh do giới hạn của sự phát ra của bản cập nhật. Vì vậy, đề xuất khắc phục sự thiếu chính xác gây ra bởi thông tin trạng thái liên kết hết hiệu lực có hai mục tiêu chính, cụ thể là, để cải thiện hiệu suất của giao thức khi có thơng tin thiếu chính xác trong định tuyến và giảm quá tải liên quan đến giao thức kết hợp với phân phối thường xuyên các bản cập nhật.
Sự tổng hợp thông tin trong các mạng phân cấp cũng là một yếu tố quan trọng của thông tin định tuyến khơng chính xác trong các mạng lớn. Ngay cả trong các giao thức định tuyến nội miền, chẳng hạn như OSPF, các bộ định
tuyến được nhóm lại tại các khu vực để cho phép khả năng mở rộng và thời gian hội tụ nhanh hơn. Trong các mạng phân cấp, các số liệu định tuyến của liên kết vật lý được tổng hợp lại để hình thành tải lưu lượng của các liên kết logic, do đó cho rằng các router đều có trạng thái mạng là một xấp xỉ của các giá trị thực sự đại diện cho trạng thái của mỗi liên kết riêng biệt.
Các nguồn khác của sự khơng chính xác là trễ truyền của các bản tin định tuyến trong các mạng lớn, việc sử dụng các ước tính về trạng thái hiện tại của mạng, và tác động của cơ chế đo đạc các metric được sử dụng. Do nhiều yếu tố, tình trạng chung được lưu giữ bởi mỗi router là một xấp xỉ của trạng thái thật sự thực tế. Khi các thuật tốn tính tốn đường dẫn sử dụng thơng tin khơng chính xác này coi như nó là chính xác, thì hiệu suất của chúng có thể bị thiệt hại, và vì vậy phải tìm ra giải pháp được để giải quyết vấn đề này. Cách tiếp cận theo xác suất để giải quyết sự thiếu chính xác trong định tuyến nhằm mục đích tìm kiếm một đường dẫn thích hợp nhất phù hợp với u cầu mới, có tính đến thơng tin có sẵn về trạng thái của mạng là khơng chính xác và biểu diễn bởi một hàm xác suất. Việc thăm dò dựa vào bản tin là một kỹ thuật nữa được sử dụng để đối phó với các thơng tin trạng thái khơng chính xác. Việc sử dụng thăm dị tránh được sự mất hiệu lực của thông tin trạng thái liên kết bởi vì các thăm dị thu thập các thơng tin trạng thái gần đúng nhất.
Vấn đề của sự khơng chính xác về thơng tin định tuyến liên quan chặt chẽ với phương thức sử dụng cho việc phân phối và tập hợp thông tin định tuyến, và như vậy kế hoạch định tuyến dựa trên QoS mới với vấn đề này cần được phát triển trong một cách tích hợp của cả hai cấp thuật tốn và giao thức.
2.2.1.3. Tính ổn định của định tuyến dựa trên QoS
Sự ổn định của các giao thức định tuyến dựa trên QoS là một yếu tố quyết định cho hoạt động của chúng. Sự bất ổn có thể xảy ra bất cứ khi nào đáp ứng của giao thức này trở nên q mức, do đó khơng cần thiết tái định tuyến lưu lượng. Cụ thể, trong các giao thức trạng thái liên kết, “flooding” không phù hợp các bản cập nhật có thể sẽ làm suy giảm hiệu suất truyền lưu lượng. Điều này đặc biệt có vấn đề khi mạng bị ách tắc, kể từ khi các bản tin định tuyến bổ sung tiêu thụ các nguồn tài nguyên băng thông đã khan hiếm, và các ứng dụng tiếp theo của thuật tốn tính tốn đường dẫn áp đặt tải nhiều hơn cho bộ xử lý định tuyến.
Các vấn đề về sự bất ổn định trong định tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, cụ thể là, các loại metric được sử dụng để tính tốn đường dẫn tốt nhất, các
chính sách kiểm sốt các thơng báo metric và thuật tốn tính tốn đường dẫn. Topo mạng và các mơ hình lưu lượng cũng ảnh hưởng đến sự ổn định và động thái của định tuyến. Cụ thể, việc định tuyến theo đường dẫn ngắn nhất dựa trên một sự tắc nghẽn căn cứ vào các metric liên kết thì rất dễ bị mất ổn định dưới tải trọng nặng và lưu lượng truyền loạt. Các cơ chế để kiểm soát các vấn đề bất ổn được giới thiệu ở trên có thể được phân loại, cụ thể là, liên quan đến cơ chế phân phối các metric, các thuật toán lựa chọn đường dẫn và cách xử lý lưu lượng khác nhau với các yêu cầu QoS khác nhau.
Việc quảng bá các metric được lượng tử hóa là phương pháp đầu tiên để tránh việc định tuyến bất ổn định. Việc lượng tử hóa các metric có thể thực hiện bằng cách sử dụng một số trung bình đơn giản của các số liệu đo hoặc sử dụng các cơ chế trễ và các ngưỡng. Các kỹ thuật cân bằng tải cung cấp các cách sử dụng nhiều đường dẫn giữa một nguồn và một đích, để tránh các dao động định tuyến. Route-pinning và class-pinning cũng được sử dụng để hạn chế sự dao
động định tuyến là những trường hợp mà các đường dẫn đảm bảo QoS có thể cung cấp một mức độ đầy đủ QoS. Sự ổn định và hiệu suất định tuyến tổng thể có thể được tăng lên bằng cách sử dụng các giao thức định tuyến xử lý các luồng lưu lượng theo khoảng thời gian của chúng, và giao thức thực hiện các tính tốn tuyến đường theo lưu lượng hỗn hợp có xét đến các nhu cầu riêng của phương pháp truyền nỗ lực tối đa và lưu lượng nhạy cảm QoS.
Khả năng thích ứng mong muốn của định tuyến dựa trên QoS không thể dẫn đến bất ổn định. Tuy nhiên, hai mục đích có thể là mâu thuẫn và các giải