2.2 Kiến trỳc phõn lớp CQS trong Router
2.2.1 Phõn lớp (Classification)
Việc truyền trờn mạng Internet ngày nay ngày càng phức tạp, do nú phải truyển tải quỏ nhiều loại lưu lượng với cỏc đặc tớnh khỏc nhau, yờu cầu cỏc cỏch thức truyền tải khỏc nhau. Việc truyền tải lưu lượng,điều khiển truy nhập và cỏc dịch vụ khỏc nhau đũi hỏi cú sự phõn biệt cỏc gúi dựa trờn cơ sở đa trường trong tiờu đề của mỗi gúi, được gọi là phõn loại gúi tin. Mạng sẽ đặt ra cỏc mức ưu tiờn cho cỏc gúi, cỏc giải thuật quản lý hàng đợi dựa vào mức ưu tiờn này để điều khiển mạng khi cú tắc nghẽn xảy ra. Gúi nào cú độ ưu tiờn cao hơn sẽ được ưu tiờn truyền trước, cỏc gúi cú độ ưu tiờn thấp hơn cú thể bị loại bỏ khi cú tắc nghẽn xảy ra.
Cơ chế phõn loại cỏc gúi của một router cú ảnh hưởng trực tiếp tới việc phõn chia cỏc loại lớp dịch vụ của lưu lượng IP. Trờn thực tế thỡ ngữ cảnh cỏc gúi phụ thuộc vào bản thõn thụng tin chứa trong cỏc gúi đồng thời thụng tin cấu hỡnh được gửi từ giao diện đến của nú.
Việc phõn loại gúi tin cũng là hỡnh thức của cơ chế truyền gúi dựa theo cỏc mức ưu tiờn. Để phõn loại lớp cỏc dịch vụ chủ yếu dựa vào thụng tin bờn trong phần header của gúi. Nếu thiết lập a bit trong phần header của gúi để làm bit phõn loại thỡ ta sẽ phõn loại được 2ê gúi. Cỏc thụng tin phõn loại được đặt trong trường TOS của IPv4, trường TC của IPv6 và trường DS. Việc phõn loại gúi tin cú hiệu lực do được hỗ trợ bởi một số tớnh năng khỏc của cỏc dịch vụ mạng Internet: điều khiển truy cập, phõn biệt dịch vụ, cõn bằng tải, định dạng lưu lượng…Mỗi dịch vụ yờu cầu cỏc thiết bị Internet phải phõn loại cỏc gúi vào trong cỏc luồng khỏc nhau và
31
thực hiện cỏc hành động phự hợp với cỏc gúi trong cỏc luồng đú. Cỏc luồng này được chỉ định bởi một bộ phõn loại chứa tập hợp cỏc luật lệ.
Việc phõn loại cỏc gúi tin dựa vào cỏc nhón QoS trong phần tiờu đề của gúi tin. Cỏc trường này đi kốm theo cỏc giao thức:
• Trường TOS (trong phần Header của gúi tin Ipv4) • Trường Precedence trong phần header của Ipv4)
• Trường T (throughput), D (delay), R (reliability) (trong IPv4) • DS (trong different service)
• TC - traffic class (trong Ipv6) • Flow label (trong IPv6 và MPLS)
• User priority field (định nghĩa bởi IEEE 802-1p trong việc ưu tiờn dữ liệu giữa cỏc cầu LAN ảo và VLAN)
Trường TOS (IPv4), TC (IPv6)
Cỏc gúi IPv4 luụn chứa 1 octet TOS cho phộp phõn loại gúi từng chặng
0 1 2 3 4 5 6 7
Precedence D T R 0 0
3 bit 4 bit TOS 1 bit
Hỡnh 2.3 Trường TOS của IPv4
3 bit Precedence: thực hiện quyền đến trước của gúi.
4 bit TOS : mụ tả loại dịch vụ truyền hoặc định tuyến. 1000 : Trễ tối thiểu
0100 : Lưu lượng tối đa 0010 : Độ tin cậy tối đa 0001 : Giỏ trị tối thiểu 0000 : Dịch vụ bỡnh thường
Trường precedence tận dụng 3 bit precedence trong trường TOS của phần tiờu đề của IPv4 để phõn biệt lớp dịch vụ cho mỗi gúi. Ta cú thể phõn chia lưu lượng thành 6 lớp dựa vào 3 bit trờn (2 lớp được sử dụng cho cỏc mạng nội hạt). 3 bớt này tạo thành 8 mức ưu tiờn từ 0 đến 7 cho cỏc gúi IP (hai mức 6 và 7 được dựng để dự trữ và khụng bị thiết lập bởi nhà quản trị mạng). Việc phõn loại dựa trờn trường Precedence phụ thuộc vào độ ưu tiờn về mặt thời gian giữa 8 mức của quyền đến trước. Lưu lượng được chỉ định cú thể được đỏnh dấu bằng cỏch thiết lập trường này, do đú nú chỉ được phõn loại chỉ 1 lần cho mỗi luồng lưu lượng.
Version 4bit Traffic Class 8 bit Flow Label 20 bit Payload Length 16 bit Next Header 8 bit Hop Limit 8 bit Source Address (128 bit)
Destination Address (128 bit)
Hỡnh 2.4 IPv6 Header 48 byte
Hỡnh 2.4 mụ tả tiờu đề gúi tin IPv6. Nú bao gồm 8 trường, trong đú trường lớp lưu lượng - TC (Traffic Class) dài 8 bit, trường nhón luồng FL (Flow Label) dài 20 bit. Cả hai trường này đều thớch hợp cho việc thực hiện đảm bảo QoS. Cũn trường TC cung cấp khả năng tương tự như trường ToS của tiờu đề gúi tin IPv4.
Trong bảng 2.1 [65] trỡnh bày cỏc mức độ ưu tiờn gúi tin, mức độ ưu tiờn cao nhất là 7 được dựng cho cỏc gúi điều khiển mạng, do đú cỏc gúi liờn qua tới thiết lập cấu hỡnh mạng và điều khiển mạng cú độ ưu tiờn cao khi cú tắc nghẽn xảy ra. Cỏc gúi cú độ ưu tiờn thấp nhất là cỏc gúi “Routine”. Ít được quan tõm hơn là cỏc gúi cú độ ưu tiờn được định nghĩa bởi cỏc bit trong trường T, D, R. 4 bit của trường TOS được xem như khoỏ phõn loại để tra cứu FIB theo yờu
32
cầu về độ trễ, băng thụng, độ tin cậy, giỏ (cost) của cỏc gúi được định tuyến dọc theo tuyến. 11 trường hợp cũn lại khụng được định nghĩa.
Bảng 2.1 Trường IP precedence định nghĩa độ ưu tiờn cho tiến trỡnh xử lý và truyền gúi tin
IP precedence Meaning 7 (111) 6 (110) 5 (101) 4 (100) 3 (011) 2 (010) 1 (001) 0 (000) Network control Internet control CRITIC/ECP(critical exception) Flash override Flash Immediate Priority Routine
Bảng 2.2 í nghĩa cỏc bit trong trường D, T, R
TOS bit Meaning Bit 0 Bit 1
D bit(TOS bit 3) T bit(TOS bit 4) R bit(TOS bit 5) TOS bit 6 TOS bit 7 Delay Throughput Realibility Unused Unused Normal delay Normal throughput Normal realibility Set bit 0 Set bit 0 Low delay High throughput High realibility Not use Not use 2.2.2 Quản lý hàng đợi
Quản lý hàng đợi bao gồm cỏc hoạt động:
- Thờm gúi tin vào hàng đợi khi hàng đợi chưa đầy.
- Loại bỏ gúi tin nếu hàng đợi đó đầy.
- Xúa bỏ gúi tin khi được yờu cầu bởi bộ lập lịch.
- Thường xuyờn theo dừi, kiểm tra mức độ chiếm giữ của hàng đợi.
- Đỏnh dấu cỏc gúi tin khi hàng đợi chuẩn bị đầy.
Mục đớch chớnh của một hàng đợi trong một bộ định tuyến IP là ổn định/làm dịu sự bựng phỏt lưu lượng đến, từ đú việc sử dụng mạng cú thể đạt mức độ cao. Cỏc gúi tin đến sẽ được đưa vào trong hàng đợi cho đến khi hàng đợi đầy. Sau đú nếu cũn cỏc gúi tin mới đến hàng đợi thỡ chỳng sẽ bị loại bỏ. Quản lý hàng đợi cú cỏc tớnh năng sau:
Giảm số lượng cỏc gúi tin bị loại bỏ trong hàng đợi: Cỏc gúi tin thường đi đến hàng đợi với số lượng lớn và tốc độ khụng cố định. Nếu thiết lập một kớch thước hàng đợi cố định thỡ sẽ khụng linh hoạt với cỏc loại lưu lượng đến khỏc nhau: chẳng hạn nếu kớch thước của hàng đợi quỏ nhỏ thỡ hàng đợi sẽ dễ bị tràn dẫn đến việc loại bỏ gúi tin luụn xảy ra, cũn nếu đặt kớch thước hàng đợi quỏ lớn sẽ gõy lóng phớ tài nguyờn. Quản lý hàng đợi giữ kớch thước trung bỡnh của hàng đợi nhỏ cung cấp khả năng cao hơn. Ngoài ra, quản lý hàng đợi cho phộp loại bỏ tắc nghẽn trong mạng bằng việc loại bỏ gúi tin chứ khụng loại bỏ cả thụng tin, do đú sẽ hạn chế được số lượng gúi tin bị loại bỏ.
33
Cung cấp cỏc dịch vụ tương tỏc cú độ trễ thấp: Do quản lý hàng đợi giữ kớch thước hàng đợi trung bỡnh thấp nờn giảm được độ trễ trong cỏc luồng. Điều này rất quan trọng trong cỏc ứng dụng đũi hỏi đỏp ứng thời gian thực như cỏc phiờn truyền video, hội nghị truyền hỡnh, ứng dụng truyền video trờn mạng,..
Tin tức (cú thể là gúi tin hay bản tin) đến hệ thống để yờu cầu phục vụ. Nếu server rỗi thỡ gúi tin sẽ được phục vụ ngay lập tức, ngược lại chỳng sẽ được lưu giữ trong cỏc hàng đợi. Khi rời khỏi hàng đợi cỏc gúi sẽ được xử lý.
2.2.3 Lập lịch
Bộ lập lịch sẽ quyết định xem gúi nào được đưa ra giao diện đầu ra nào, sau đú hướng nú tới hop tiếo theo. Cỏc router truyền thống chỉ cú một hàng đợi đơn cho một đầu ra cố định do vậy bộ lập lịch của nú rất đơn giản. Nú sẽ tỡm cỏch kộo gúi ra khỏi hàng đợi nhanh như là tốc độ truyền nú. Cũn tại cỏc router cú hỗ trợ kiến trỳc CQS thỡ mỗi giao diện cú tầng lập lịch để cựng chia sẻ khả năng của giao diện đầu ra cú cựng cỏc hàng đợi liờn quan. Quỏ trỡnh lập lịch này giỳp cho cỏc gúi từ nhiều hàng đợi ra cựng một giao diện đầu ra khụng phải tranh chấp đầu ra, trỏnh được tắc nghẽn tại đầu ra. Cỏc thuật toỏn lập lịch cú thể đơn giản hoặc cũng rất phức tạp, điều này tuỳ thuộc vào loại lưu lượng mà mạng truyền tải.
2.2.4 Cỏc tham số cơ bản liờn quan tới hàng đợi
Thời gian sử dụng hàng đợi (trễ hàng đợi) là một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn thụng tin. Thời gian này phụ thuộc vào cỏc thời gian xử lý, độ dài gúi tin hay thời gian chờ tài nguyờn sử dụng và kớch thước hàng đợi. Trong bảng 2.3[6], giới thiệu một số tham số cơ bản của hàng đợi.
Bảng 2.3 Bảng cỏc tham số cơ bản của hàng đợi
Tham số Kớ hiệu Chỳ thớch
Tốc độ đến trung bỡnh λ Thời gian gúi tin đến hệ thống hàng đợi với vận tốc λ trờn một đơn vị thời gian(s). Tốc độ phục vụ trung bỡnh μ Cỏc gúi tin rời khỏi hệ thống với tốc độ μ trờn một đơn vị thời gian. Hiệu suất sử dụng
dịch vụ r Là khoảng thời gian server bận do phải xử lý, đo bằng r= λ /μ
Độ dài trung bỡnh của hàng đợi Lw Là số gúi nằm trong hàng đợi trung bỡnh tớnh tại tất cả cỏc thời điểm t
Thời gian đợi trung bỡnh
Tw
Cú hai định nghĩa:
Thứ nhất: được tớnh bằng tất cả thời gian gúi tin đến xử lý (bao gồm cả cỏc gúi khụng phải chờ trong hàng đợi)
Thứ hai: chỉ tớnh TB thời gian cỏc gúi tin phải chờ trong hàng đợi
Thời gian phục vụ trung bỡnh Ts Thời gian TB giữa thời điểm gửi gúi tới server và thời điểm rời khỏi server
Thời gian xếp hàng trung bỡnh Tq Thời gian cỏc gúi ở trong hệ thống. Bao gồm thời gian chờ và thời gian phục vụ.
34
Cỏc gúi đến hàng đợi với tốc độ trung bỡnh λ và đõy là một quỏ trỡnh Poisson, thời gian phục vụ trung bỡnh cú phõn bố mũ tốc độ μ. Khi cỏc gúi đến hệ thống tăng thỡ hiệu suất sử dụng hệ thống cũng tăng, dẫn tới tắc nghẽn cú khả năng xảy ra. Với r =1 thỡ cỏc server bóo hồ, do đú tốc độ lớn nhất theo lý thuyết mà hệ thống cú thể xử lý được là: λmax= 1/Ts
Tại λmax thỡ kớch thước hàng đợi rất dài khụng thể kiểm soỏt được. Theo William Stallings trong thực tế thời gian trả lời và những yờu cầu kớch thước hàng đợi giới hạn tốc độ đầu vào của thụng tin là 70-90% so với λmax .
Tại cỏc router và chuyển mạch trong phần lừi của kiến trỳc cỏc dịch vụ phõn biệt (DiffServ) của mạng Internet cú cỏc giải thuật lập lịch và quản lý hàng đợi. Ngày nay kiến trỳc dịch vụ phõn biệt bao gồm hàng đợi cõn bằng cú trọng số (WFQ) cựng kĩ thuật trỏnh tắc nghẽn dựa trờn cỏc thuộc tớnh của thuật toỏn RED và ưu tiờn IP (WRED). Cỏc kĩ thuật trờn được sử dụng trong mạng Internet làm nhiệm vụ điều khiển tắc nghẽn và điều khiển luồng lưu lượng trong mạng. Điều khiển tắc nghẽn là vấn đề quan trọng cần giải quyết trong việc truyền tin trong mạng. Nú sử dụng hai cơ chế độc lập:
Cơ chế điều khiển vũng kớn (Closed Loop Control): điều khiển việc truyền cỏc gúi từ cỏc nguồn đầu cuối tới đớch. Điều khiển vũng kớn dựa trờn trạng thỏi của mạng với sự giỏm sỏt tắc nghẽn và điều khiển lưu lượng dựa trờn thụng tin phản hồi. Trong đú thụng tin phản hồi cú thể là:
- Phản hồi ẩn (Implicit feedback) thực thể gửi sử dụng thời gian chờ biờn nhận (time out) để xỏc định liệu cú xảy ra tắc nghẽn hay khụng.
- Phản hồi rừ ràng (Explixit feedback) một số gúi tin bỏo hiệu được gửi trở lại từ điểm xảy ra tắc nghẽn để bỏo hiệu nguồn gửi giảm tốc độ, gửi chậm lại.
- Điều khiển theo tốc độ: điều khiển một cỏch trực tiếp tốc độ truyền tại phớa đầu gửi.
- Điều khiển theo kớch thước cửa sổ: điều khiển giỏn tiếp tốc độ truyền thụng qua việc thay đổi kớch thước cửa sổ (số gúi tin hoặc số byte tồn tại ở đú).
Cỏc giải thuật điều khiển vũng hở (Opened loop control): ràng buộc độ ưu tiờn được cấu hỡnh từ trước và phõn phối băng thụng cho cỏc kết nối. Tiến hành điều khiển vũng hở bao gồm việc quyết định khi nào cú thể nhận lượng tin mới, quyết định khi nào loại bỏ gúi tin và loại gúi tin nào, sau đú lờn quyết định trỡnh tự ở cỏc điểm khỏc nhau trong mạng. Như vậy điều khiển vũng hở khụng cú thụng tin phản hồi từ mạng và phớa người nhận.
Hệ thống điều khiển vũng kớn bao gồm cỏc giải thuật nguồn được điều khiển bởi cỏc giải thuật kết nối. Giải thuật nguồn này từ bất kỡ giao thức nào được truyền tải trờn mạng Internet (vớ dụ: TCP, UDP, RTP) và chỳng khụng nhất thiết phải cú phản hồi đỏp ứng với tắc nghẽn. Cỏc giải thuật điều khiển kết nối hay cũn gọi là cỏc giải thuật quản lý hàng đợi (hoặc quản lý hàng đợi tớch cực AQM). Cỏc giải thuật AQM bao gồm giải thuật loại bỏ đuụi (Drop Tail), giải thuật phỏt hiện sớm ngẫu nhiờn (RED). Giải thuật AQM thực hiện việc bỏo hiệu tới nguồn bằng việc đỏnh dấu cỏc gúi, thụng bỏo tắc nghẽn tường minh (ECN) hay loại bỏ cỏc gúi.
Mạng A Chuyển tiếp IF-0 IF-1 Mạng B Router Hàng đợi 0 Hàng đợi 1
Giao diện - 0 Giao diện - 1
Hỡnh 2.5 Tiến trỡnh xử lý hàng đợi trong router
Để hiểu rừ về cỏc hàng đợi được sử dụng trong cơ chế điều khiển tắc nghẽn ta phải trả lời cỏc cõu hỏi:
- Cỏc gúi sẽ được sắp đặt như thế nào trong hàng đợi.
- Thứ tự hay cỏch thức nào mà cỏc thiết bị mạng phục vụ cỏc hàng đợi của chỳng. - Cỏc hoạt động nào của mạng để đối xử với cỏc bú lưu lượng và hàng đợi bị tràn.
Router được xem như hộp lớn, trong đú cú cỏc thành phần thực hiện việc truyền thụng tin. Trong vớ dụ hỡnh 2.5 ta xột router cú 2 giao diện. Gúi tin đi từ mạng A tới mạng B. Mạng A
35
tiếp xỳc với router qua giao diện IF0, mạng B tiếp xỳc với router qua giao diện IF1. Sau khi cỏc gúi được đưa đến từ giao diện IF0 sẽ được đặt vào trong hàng đợi queue 0 (hàng đợi đầu vào). Tiếp theo cỏc gúi đi vào trong router và được định hướng tới router kế tiếp dựa trờn địa chỉ đớch lưu giữ trong phần header của gúi tin,một số gúi tin đi ra từ hàng đợi queue 0 được đưa vào hàng đợi queue 1 kết nối với giao diện IF1. Hàng đợi queue1 cũn gọi là hàng đợi đầu ra.
Cú rất nhiều kĩ thuật lập lịch hàng đợi: FIFO (first in first out) – vào trước ra trước, PQ (priority queue) -hàng đợi ưu tiờn, FQ (fair queue) -hàng đợi cõn bằng. FIFO là kĩ thuật xếp hàng vào trước ra trước cơ bản. Cỏc gúi đến trước sẽ là cỏc gúi đầu tiờn được xử lý. Khi hàng đợi đầy và cú tắc nghẽn xảy ra thỡ cỏc gúi đến sau sẽ bị loại bỏ. Hàng đợi FIFO dựa vào hệ thống đầu cuối để điều khiển tắc nghẽn thụng qua cơ chế điều khiển tắc nghẽn. Do loại hàng đợi này rất đơn giản nhiều khi khụng điều khiển được tắc nghẽn nờn ta thường xột cỏc loại hàng đợi hiệu quả hơn: hàng đợi ưu tiờn (PQ), hàng đợi cõn bằng (FQ), hàng đợi cú trọng số (WQ),…
Với cỏc cơ chế quản lý hàng đợi khỏc nhau sẽ hoạt động theo cỏc cỏch khỏc nhau và chỳng cú cỏc ưu điểm và nhược điểm riờng thớch hợp với từng loại lưu lượng. Cú loại hàng đợi được sử dụng phự hợp với loại lưu lượng này và khụng nờn sử dụng với loại lưu lượng khỏc. Việc tỡm hiểu đặc tớnh của cỏc loại hàng đợi cho phộp sử dụng hiệu quả kĩ thuật này trong việc điều khiển tắc nghẽn và điều khiển lưu lượng.
Thực chất quản lý hàng đợi (hay quản lý hàng đợi tớch cực- AQM) là lược đồ thể hiện cỏc hoạt động đặc biệt của router để thực hiện truyền cỏc luồng tốt hơn, thoả món yờu cầu QoS của người sử dụng. Cỏc hoạt động này bao gồm quỏ trỡnh loại bỏ gúi ngẫu nhiờn (vớ dụ trong RED), sắp xếp lại theo trật tự cỏc gúi được phục vụ (trong WFQ) và đỏnh dấu ngẫu nhiờn cỏc gúi từ