Mục tiờu trong mụi trường QoS cho phộp là cú khả năng phõn phối dịch vụ dự đoỏn trước cho cỏc phõn loại hoặc những loại lưu lượng, khụng quan tõm đến cỏc luồng lưu lượng khỏc đang “chảy” thụng qua mạng tại bất kỳ thời điểm xỏc định nào. Sự diễn đạt khỏc của mục tiờu này là quỏ trỡnh tạo một giải phỏp mạng IP đa dịch vụ nơi mà lưu lượng bựng nổ truyền thống cú thể chia sẻ cựng một thiết bị như (router, switch và đường liờn kết) bằng cỏc lưu lượng với những yờu cầu nhiều hơn về trễ, jitter, băng thụng và mất gúi. Khụng kể việc tập trung vào mạng trong suốt, mạng truy nhập hay mạng đường trục (hay một số kết hợp giữa chỳng), đường dẫn edge – to – edge bởi cỏc gúi của người sử dụng đơn chỉ đơn thuần là sự nối tiếp của cỏc liờn kết và cỏc router. Vỡ vậy ngay từ lỳc đầu chỳng ta phải cố gắng phỏc thảo tổng quan những chức năng của phương thức chuyển tiếp trong bộ định tuyến.
Mặc dự một router truyền thống chủ yếu tập trung vào nơi gửi gúi (tạo quyết định chuyển tiếp dựa trờn cơ sở địa chỉ đớnh trong mỗi gúi và chứa thụng tin về bảng chuyển tiếp cục bộ), những bộ định tuyến cho những mạng IP xỏc lập chất lượng dịch vụ phải cú khả năng điều khiển khi gửi gúi đi.
3.2.1 Nghẽn tạm thời, trễ , biến động trễ và mất gúi.
Trễ :Đối với mỗi một router khả năng điều khiển nhỏ nhất của chỳng cũng là điểm
quy tụ và phõn chia cho hàng chục, hàng trăm hay hàng nghỡn luồng gúi. Trong hầu hết cỏc mạng dữ liệu, lưu lượng đến luụn mang khả năng bựng nổ. Ở thời điểm cú một sự kiện xảy ra thụng thường, xuốt hiện tượng đến đồng thời của gúi bựng nổ từ nhiều đường kết nối và tất cả đớch của cỏc luồng gúi này cựng định hướng tới một kết nối đầu ra (bản thõn cỏc kết nối chỉ cú giới hạn duy nhất về khả năng của chỳng), rời khỏi router
với số gúi nhiều hơn nú cú thể lưu thoỏt trụi chảy tức thời. Vớ dụ, lưu lượng hội tụ từ nhiờu đường liờn kết Ethernet 100 Mbps cú thể dễ dàng vượt qỳa khả năng kờnh vựng mở rộng OC – 3/ STM – 1 155 Mbps, hoặc lưu lượng từ một số kết nối T3/E3 cú thể đồng thời yờu cầu chuyển tiếp ra ngoài dọc theo đường liờn kết nhỏ hơn T1/E1. Để đối phú với điều đú, tất cả cỏc router kết hợp cỏc bộ đệm (hàng đợi) nội bộ, chỳng lưu giữ cỏc “gúi vựơt quỏ” cho đến khi chỳng cú thể gửi tiếp. Những gúi trong tỡnh huống trờn cố gắng gửi thụng qua bộ định tuyến điều đú là trễ tăng lờn do cộng vào. Như vậy bộ đệm router dựng để khắc phục nghẽn ngắn hạn.
Trễ end – to – end gõy ra bởi một gúi là sự kết hợp của trễ truyền dẫn qua mỗi liờn kết và trễ quỏ trỡnh gõy ra trong mỗi router. Trễ tạo ra bởi cỏc cụng nghệ kết nối như
cỏc SONET, SDH, đường leased line hay kờnh ảo ATM tốc độ bit cố định (CBR) được dự đoỏn trước một cỏch hợp lý khi thiết kế. Nhưng trễ đúng gúp bởi mỗi bộ đệm của router thờm vào thỡ khụng thể dự đoỏn trước. Nú giao động thay đổi theo mụ hỡnh nghẽn, thường thay đổi khụng xỏc định thậm chớ cả cỏc gúi cú cựng đớch tới. Thành phần giao động ngẫu nhiờn của trễ end – to – end thường được gọi là jitter.
Mất gúi: Thờm một vấn đề khỏc đú là mất gúi. Rừ ràng rằng khả năng của bộ đệm
router chỉ cú một giới hạn nào đú,vỡ trong giai đoạn duy trỡ nghẽn cỏc gúi được chứa trong bộ đệm cú thể đạt tới giới hạn về khụng gian bộ đệm. Bộ đờm cú khoảng trống chở lại khi cỏc gúi được chuyển tiếp đi. Nếu gúi vẫn tiếp tục đi vào bộ đểm thỡ để cho bộ đệm vẫn khả dụng thỡ gúi phải bị thải hồi .
Jitter :Rừ ràng một vấn đề ở đõy là cỏc router truyền thống chỉ cú một hàng đợi cho
mỗi điểm nghẽn nội (trong vớ dụ trong hỡnh 3.3, một giao diện đầu ra đang thoỏt đi lưu lượng với tốc độ cho phộp) và khụng cú kỹ thuật tỏch cỏc lớp hoặc cỏc loại khỏc nhau từ luồng lưu lượng khỏc chuyển qua nú. Tớnh thất thường của cỏc lưu lượng khụng liờn quan chuyển qua hàng đợi chia sẻ tại mỗi điểm nghẽn nội cú ảnh hưởng lớn vào trễ, jitter và mất gúi trờn mỗi luồng lưu lượng.
Hỡnh 3.3: Hàng đợi FIFO trờn router nỗ lực tối đa
Trờn hỡnh 3.3 cho thấy. Những gúi đến từ mỗi cổng vào với tốc độ lớn nhất trong những giỏ trị từ Y1 đến Yn pps (packets per second). Ở liờn kết biờn ngoài cỏc gúi được lấy ra từ tốc độ hàng đợi X pps. Ta cú tổng tốc độ đầu vào là Y
(Y =Y1 +Y2 +...+Yn). Với giỏ trị Y nhỏ hơn X thỡ cỏc gúi sẽ khụng cần phải đợi trong hàng đợi mà được chuyển ra ngoài ngay. Nhưng khi Y bắt đầu vượt quỏ X thỡ bắt đầu xuốt hiện nghẽn do hiệu tốc độ đầu vào và đầu ra tăng lờn một lượng Y-X > 0. Lượng gúi P trong hàng đợi sau một khoảng thời gian T sẽ là: P =T *(Y − X).
Như vậy khi một gúi đến tại thời điểm T khi trong hàng đợi đó cú gúi khỏc thỡ nú sẽ bị trễ một thời gian là X*P giõy (bởi vỡ gúi phải đợi trong hàng đợi được lưu thoỏt với tốc độ là X pps). Nếu một gúi đến khi hàng đợi đó đầy (P=L, L là khụng gian khả dụng của hàng đợi) thỡ gúi sẽ bị loại bỏ. Jitter xuốt hiện từ việc cỏc thành phần của Y bựng nổ và khụng tương quan với đầu ra.
Nếu gúi cú độ dài cố định thỡ mối quan hệ thõn thiện đơn giản sẽ tồn tại giữa hai dạng tốc độ được biểu diễn. Tuy nhiờn trong mụi trường IP thụng thường độ dài cỏc gúi tin là khụng cố định, hơn nữa nú lại cú tớnh thay đổi mối quan hệ giữa tốc độ kết nối đầu ra, số lượng gúi tồn đọng và trễ gõy ra bởi cỏc gúi tồn đọng đú.
3.2.2 Sự phõn loại , hàng đợi và lập lịch
Như vậy chỳng ta cần phải cải thiện điều gỡ? Những đặc tớnh trễ, Jitter, và mất gúi
của một mạng IP đó cú, cuối cựng chung quy lại là đặc tớnh QoS của cỏc kết nối và tớnh mềm dẻo của việc sử dụng hàng đợi , quản lý hàng đợi trong mỗi router. Nếu tải mạng vượt quỏ tốc độ dịch vụ thỡ một hàng đợi đơn tại mỗi điểm nghẽn nội sẽ khụng đủ khả năng đỏp ứng. Để thay thế cần phải cú một hàng đợi cho mỗi lớp lưu lượng cú thể nhận biết cho cỏc đặc tớnh độc lập như: trễ, biến động trễ và mất gúi được yờu cầu.
Mỗi hàng đợi này chỳng cú cỏc chớnh sỏch loại bỏ gúi của bản thõn nú (vớ dụ như: đối với hàng đợi khỏc nhau thỡ cú thể cú mức ngưỡng khỏc nhau, và cỏc gúi được loại bỏ một cỏch ngẫu nhiờn hay xỏc định). Tất nhiờn nhiều hàng đợi trờn giao diện đầu ra được sử dụng mà khụng cú kỹ thuật để ấn định cỏc gúi tới hàng đợi phự hợp.
Một phương phỏp phõn loại được yờu cầu trờn sự tỡm kiếm chuyển tiếp chặng kế tiếp truyền thống của router. Cuối cựng, cỏc hàng đợi phải chia sẻ tất cả khả năng về giới hạn của kết nối đầu ra mà chỳng cho ra. Nhu cầu này bao hàm việc thờm vào một kỹ thuật lập lịch cho cỏc gúi chuyển ra từ mỗi hàng đợi và như vậy cú sự dàn xếp truy nhập kết nối trong khả năng điều kiểu và dự đoỏn trước.
Cỏc nhu cầu trước đõy được giữ lại như bằng một sự trỡnh bày mà những mạng cho phộp xỏc lập QoS yờu cầu những router cú thể lập lịch (CQS), phõn loại , hàng đợi khỏc biệt cho tất cả cỏc loại lưu lượng cần thiết (xem hỡnh 3.4). Cỏc router ở đõy núi đến cú kiến trỳc CQS.
Hỡnh 3.4: Phõn loại, hàng đợi và lập lịch từng chặng cho phộp hàng đợi và bộ lập lịch cú thể độc lập.
3.2.3 Chất lượng dịch vụ mức liờn kết
Đụi khi bộ lập lịch của một router phải thực hiện nhiều hơn việc chốn lưu lượng thụng thường ở mức gúi IP. Khả năng của bộ lập lịch cho việc chốn lưu lượng một cỏch trụi chảy thuộc hàng đợi khỏc nhau phụ thuộc kết nối biờn ngoài cú thể truyền dẫn mỗi gúi nhanh như thế nào. Với cỏc kết nối tốc độ cao (như là mạng SONET hoặc SDH 150 Mbps), một gúi tin IP dài 1500 byte cần ớt nhất 80 μs để truyền dẫn. Điều này cho phộp bộ lập lịch phõn chia băng thụng kết nối trong những khe thời gian 80 μs. Tuy nhiờn tại biờn của mạng Internet, nhiều kết nối đang vận hành tại tốc độ 1 Mbps hoặc thấp hơn – trong khoảng rộng từ 56 đến 128 Kbps cho mạng số dịch vụ tớch hợp (ISDN) ở Bắc Mĩ và Chõu Âu, và xuống tới 28,8 Kbps trong trường hợp kết nối modem dial-up.
Một gúi tin IP được truyền dẫn qua kết nối 128 Mbps mất khoảng 94 ms, là một trở ngại về măt thời gian cho việc hoàn thành truyền dẫn. Cú hay khụng sự quan tõm đến sự ảnh hưởng của jitter cú trong phõn loại ở cỏc hàng đợi khỏc nhau, cỏc gúi đú cũng trải qua biến động trễ 94 ms khi bộ lập lịch kộo gúi tin 1500 byte từ cỏc hàng đợi khỏc. Rừ ràng điều này gõy ra một số vấn đề nếu cỏc ứng dụng QoS nhạy cảm được hỗi trợ ở khớa cạnh xa hơn của cỏc kết nối tốc độ thấp thụng thường.
Giải phỏp cơ bản là thực hiện việc bổ sung cỏc đoạn cỏc gúi IP tại mức kết nối một cỏch rừ ràng cho chớnh tầng IP. Kiến trỳc CQS sau đú được ỏp dụng tại mức kết nối bởi cỏc phõn đoạn hàng đợi tốt hơn là cỏc gúi nguyờn vẹn. Như vậy sự cho phộp bộ lập lịch chốn vào cỏc đoạn biờn giới (hỡnh 3.5). Bằng cỏch chọn lựa kớch thước đoạn nhỏ hơn phự hợp như một tiếp cận cho phộp lưu lượng IP nhạy cảm với Jitter để trỏnh bị tồn đọng bờn cạnh cỏc gúi IP dài.
Hỡnh 3.5: Sự phõn đoạn trước lập lịch cải tiến việc chốn trờn kết nối tốc độ thấp.
Mặc dự ATM ban đầu được thiết kết cho đường kết nối tốc độ cao, thiết kế của nú phản ỏnh mối quan tõm tương tự với việc thu hẹp cực tiểu khoảng thời gian phõn loại khi duy trỡ kết nối. Tế bào ATM được thiết kế ngắn và mỗi chuyển mạch ATM là một vớ dụ về kiến trỳc CQS. Tế bào đến được xếp hàng để truyền phự hợp với nội dung trường nhận biết đường ảo (VPI) của chỳng. Sử dụng cỏc trường nhận dạng VCI/VPI, VC để định . Cỏc chuyển mạch ATM tốt cú cỏc hàng đợi cho mỗi lớp lưu lượng trờn mỗi cổng cơ sở và cỏc bộ lập lịch chuyển cỏc tế bào ra ngoài mỗi cổng phự hợp với băng thụng đảm bảo.