2.2.1 Lịch sử phát triển các mô hình QoS IP
Vào khoảng giữa thập kỷ 1990, các mạng IP hoạt động theo mô hình “nỗ lực tối đa” giống như mạng Internet hiện nay và đang phát triển thành các mô hình dịch vụ phân biệt phức tạp. Dưới đây là các bước phát triển của khái niệm QoS từ khoảng giữa thập kỷ 90 tới nay [19]:
Hình 2.4. Các bước phát triển của mô hình QoS [12].
Mô hình IP nỗ lực tối đa Mô hình dịch vụ tích hợp Mô hình dịch vụ phân biệt
Kỹ thuật lưu lượng và VPN QoS
Điều khiển QoS thông minh, tự động QoS là công cụ bảo mật C á c m ô h ìn h , p h iê n b ả n 1994 1996 1998 2000 2002 2004 thời gian
Vào tháng 6 năm 1994, lần đầu tiên khi IETF phát hành RFC 1633 với nỗ lực tiêu chuẩn hóa chất lượng dịch vụ IP. RFC 1633 đưa ra mô hình dịch vụ tích hợp IntServ (Integrated Sevices) và tập trung vào giao thức dành trước tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol) [19]. RSVP báo hiệu các yêu cầu về trễ và băng thông cho các phiên riêng biệt tới từng nút dọc theo tuyến đường mà gói đi qua. Trong môi trường không gian lớn như Internet, điều gây trở ngại lớn khi hoạt động là tại thời điểm khởi tạo RSVP yêu cầu các nút dự trữ tài nguyên, vì số lượng các bộ định tuyến, thiết bị chuyển mạch lớn và đa dạng.
Đứng trước những thách thức này, một tập tiêu chuẩn về chất lượng dịch vụ IP của mô hình dịch vụ phân biệt được đưa ra. Mô hình DiffServ (Differentiated Services) định nghĩa các kỹ thuật dấu gói như thứ tự ưu tiên IPP (IP Precendence) và nút kế tiếp của nó, các điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP (Differentiated Services Code Points) phù hợp với các hành vi bước kế tiếp PHB (Per-Hop Behaviors) cho các kiểu lưu lượng.
Cả hai mô hình IntServ và DiffServ đều đưa ra các giải pháp hoàn thiện và các thành phần của hai mô hình có thể tổ hợp để cung cấp các ứng dụng tổng quát nhất cho miền rộng các lưu lượng và kiểu ứng dụng [17], [19]:
Mô hình dịch vụ tích hợp Mô hình dịch vụ phân biệt
IntServ sử dụng khái niệm dựa trên luồng cùng với giao thức báo hiệu (RSVF) dọc theo đường dẫn gói tin. Trong giai đoạn đầu khởi tạo, mô hình IntServ bị hạn chế bởi vấn đề mở rộng vì rất nhiều luồng lưu lượng cần phải quản lý trong mạng đặc biệt là mạng đường trục
DiffServ sử dụng phương pháp đánh dấu gói để phân loại và ứng xử với từng gói theo các hành vi độc lập.
Dù DiffServ có tính mềm dẻo lớn nhưng mô hình này không cung cấp đảm bảo băng thông cho các gói trong cùng một luồng lưu lượng.
Hình 2.5. Dịch vụ IntServ và dịch vụ DiffServ [19].
Các dịch vụ tích hợp Theo trạng thái luồng Giao thức báo hiệu RSVF
Các dịch vụ phân biệt Không trạng thái, Hành vi bước kế tiếp
Các kỹ thuật QoS ngày càng được chú trọng nhiều hơn vào cuối những năm 1990 và trở thành vấn đề quan trọng khi tương thích với các công nghệ mạng tiên tiến là công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (Multiprotocol Label Switching) và công nghệ mạng riêng ảo VPN (Virtual Private Network) [19].
Trong khoảng thời gian gần đây, các chiến lược phát triển mô hình chất lượng dịch vụ IP tập trung vào tính đơn giản và tự động, với mục tiêu cung cấp các kỹ thuật đảm bảo QoS thông minh trên mạng IP. Công nghệ QoS ngày càng đưa ra các mục tiêu quản lý chất lượng chi tiết và rộng hơn, có thể giải quyết các vấn đề chất lượng dịch vụ IP ở những cấu hình phức tạp. Các nhà quản trị mạng muốn xu hướng quản lý QoS càng đơn giản càng tốt và phát triển QoS theo hướng công cụ bảo mật hệ thống [8].
2.2.2 Các tham số cơ bản ảnh hưởng tới QoS IP thực tế
Tiến tới một chuẩn mực chung cho việc đảm bảo chất lượng dịch vụ, chúng ta cần phải xây dựng cách đánh giá khách quan dựa trên những tham số đặc trưng khách quan liên quan tới các dịch vụ trên nền mạng IP. Theo khuyến nghị của I.380 ITUT một số tham số đánh giá hiệu năng truyền gói IP như sau:
Trễ truyền gói IP (IP Packet Transfer Delay – IPTD): Thường gọi là trễ mạng hoặc trễ đầu cuối tới đầu cuối. Trễ cho một datagram hoặc phân đoạn cuối giữa hai điểm tham khảo. Liên quan đến trễ truyền gói IP, hai tham số quan trọng cần được quan tâm là trễ trung bình và biến thiên trễ.
Tỷ lệ lỗi gói IP (IP Packet Error Ratio – IPER): Là tham số tính theo tỷ lệ của các gói tin IP lỗi trên tổng số gói tin IP nhận được:
err Nerr + Nsuc N IPER (2.1) Trong đó:
Nerr: Số lượng gói IP lỗi
Nsuc: Số lượng gói IP truyền thành công
Tỷ lệ mất gói IP (IP Loss Ratio): Tham số tính theo tỷ số các gói bị mất trên tổng số các gói tin IP được truyền:
Nloss IPLR
Ntran
(2.2) Trong đó:
Nloss: Số lượng gói tin bị mất
Ntran: Số lượng gói tin được truyền
Các ứng dụng trên IP thường tính trên 3 khía cạnh ảnh hưởng tỷ lệ mất gói: Giá trị ngưỡng của tỷ lệ mất gói, dung sai và ảnh hưởng của tỷ lệ mất gói đối với hiệu năng ứng dụng.
Một số vấn đề liên quan tới chất lượng dịch vụ IP được nhìn nhận từ phía người sử dụng là ứng dụng chậm, các ứng dụng video có chất lượng thấp, thời gian chuyển giao và truyền tải lưu lượng lớn có thời gian dài. Nhìn từ góc độ mạng, những vấn đề nêu trên có thể định lượng qua các tham số QoS của mạng: Băng thông, mất gói, độ trễ gói và điều khiển quản lý.
(i) Băng thông
Sự thiếu hụt băng thông trong mạng Internet thường xuyên xảy ra do nhiều nguyên nhân: Bản thân nguồn tài nguyên mạng không đủ đáp ứng hay các luồng lưu lượng cùng tranh cấp một số tài nguyên. Băng thông của đường định tuyến bằng giá trị băng thông của liên kết trên đường định tuyến có băng thông nhỏ nhất. Băng thông khả dụng bằng băng thông của đường định tuyến chia cho số luồng lưu lượng. Hình 2.6 cho ta một ví dụ về cách tính băng thông đường định tuyến (BWmax) và băng thông khả dụng (BWavail).
BWmax = min(10Mbps, 256Kbps, 512Kbps, 100Mbps) = 256Kbps BWavail = BWmax / Flows
Hình 2.6. Băng thông khả dụng
Một số giải pháp giải quyết vấn đề sử dụng băng thông:
Tăng dung lượng liên kết để phù hợp với các ứng dụng và người sử dụng với một số lượng băng thông dư. Hạn chế của giải pháp này là thời gian, tiền, giới hạn của công nghệ trong quá trình nâng cấp hệ thống.
Phân loại lưu lượng thành các lớp QoS và ưu tiên các luồng lưu lượng quan trọng.
Nén dữ liệu cần truyền. Việc nén dữ liệu có thể thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm qua các thuật toán nén. Vấn đề khó khăn trong giải pháp này là quá trình nén và giải nén sẽ làm tăng thời gian trễ vì độ phức tạp của thuật toán nén.
Nén tiêu đề gói tin. Giải pháp này đặc biệt hiệu quả tại môi trường truyền thông mà các gói tin có tỷ số kích thước tiêu đề/tải tin lớn. TCP và RTP sử dụng phương pháp này.
(ii) Độ trễ gói
Độ trễ gói, hay còn gọi là trễ từ đầu cuối tới đầu cuối, là thời gian từ khi bên gửi bắt đầu gửi gói tin đến khi bên nhận nhận được toàn bộ gói tin. Trễ gói là tổng của các trễ lan truyền (thời gian truyền gói qua liên kết) trên các liên kết và trễ xử lý-đợi (thời gian chuyển gói tin từ giao diện đầu vào tới giao diện đầu ra - thời gian gói tin nằm chờ tại hàng đợi) ở các bộ định tuyến trên đường định tuyến. Ở ví dụ Hình 2.7, đường định tuyến bao gồm bốn liên kết với ba bộ định tuyến, trễ gói là tổng các trễ lan truyền trên bốn liên kết (P1, P2, P3, P4) và trễ xử lý-đợi của ba bộ định tuyến (Q1, Q2, Q3).
Delay = P1 + Q1 + P2 + Q2 + P3 + Q3 + P4 = X ms
Hình 2.7. Trễ tích lũy từ đầu cuối tới đầu cuối
Trễ lan truyền có giá trị cố định phụ thuộc vào phương tiện truyền trong khi trễ xử lý-đợi có giá trị thay đổi do các điều kiện thực tế của mạng. Trễ lan truyền chỉ phụ thuộc vào băng thông khả dụng của liên kết. Trễ xử lý phụ tuộc vào các yếu tố: Tốc độ xử lý, mức độ chiếm dụng CPU, phương thức chuyển mạch IP, kiến trúc bộ định tuyến và các đặc tính cấu hình giao diện đầu vào và đầu ra. Trễ hàng đợi phụ thuộc vào số lượng, kích thước các gói tin trong hàng đợi và băng thông khả dụng trên liên kết đầu ra của bộ định tuyến và còn phụ thuộc vào kỹ thuật quản lý hàng đợi.
Hình 2.8. Trễ xử lý và hàng đợi
Một số giải pháp cải thiện thời gian trễ như:
Tăng dung lượng liên kết để các gói không phải đợi trước khi truyền dẫn. Tăng băng thông sẽ làm giảm trễ nối tiếp nhưng lại làm tăng giá thành hệ thống khi nâng cấp.
Nén tải và nén tiêu đề gói tin là một giải pháp có ưu – nhược điểm trái ngược cùng tồn tại. Nén tải làm kích thước gói nhỏ đi, thời gian trễ thấp, nhưng các kỹ thuật nén sẽ làm gia tăng trễ.
(iii) Mất gói
Tham số này cho biết tỷ lệ phần trăm số gói IP bị mất trên tổng số toàn bộ gói IP đầu gửi đã chuyển vào mạng cho phía đầu nhận. Mất gói thường xảy ra khi các bộ định tuyến tràn không gian đệm. Gói có thể bị loại bỏ tại hàng đợi đầu vào vì bộ xử lý tắc nghẽn và hàng đợi đầu vào đầy, và bị loại bỏ tại đầu ra vì bộ đệm đầu ra đầy.
Hình 2.9. Mất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra
Tăng dung lượng liên kết giúp giảm mất gói. Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng một số giải pháp sau đây cho việc giảm mất gói:
Chống tắc nghẽn bằng phương pháp loại bỏ gói sớm trước khi có hiện tượng tắc nghẽn xảy ra.
Chia cắt lưu lượng và trễ lưu lượng thay vì loại bỏ gói (giải pháp này thường được sử dụng cùng các hàng đợi phân lớp và có thứ tự ưu tiên).
Đảm bảo băng thông và tăng không gian đệm để tương thích với các ứng dụng có độ bùng nổ lưu lượng cao. Các kỹ thuật hàng đợi thường sử dụng hiện nay là hàng đợi ưu tiên, hàng đợi theo yêu cầu, hàng đợi cân bằng trọng số và hàng đợi phân lớp.
Chính sách lưu lượng có thể giới hạn tốc độ của các gói tin ít quan trọng hơn nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ tốt nhất cho gói tin có yêu cầu cao. Tóm lại, khi xem xét đến đảm bảo chất lượng cho một dịch vụ trên nền mạng IP, chúng ta cần định nghĩa cụ thể tập hợp những tham số QoS khách quan cùng với phương thức phù hợp cho sự ràng buộc tham số đó. Bên cạnh đó, mục tiêu đảm bảo chất lượng dịch vụ cũng cần làm rõ.
2.3 CÁC CHỨC NĂNG CHUNG CỦA QoS IP
Để đảm bảo QoS, các bộ định tuyến IP cần có các chức năng được chỉ ra trong hình vẽ dưới đây sắp xếp theo hướng đi của luồng dữ liệu từ đầu vào tới đầu ra của bộ định tuyến.
Hình 2.10. Các chức năng đảm bảo QoS của bộ định tuyến IP
Hai nhiệm vụ của bộ định tuyến là phân loại gói và xử lý gói theo loại đã được phân chia. Nhiệm vụ thứ nhất bao gồm các khối chức năng đánh dấu gói và phân loại gói. Nhiệm vụ thứ hai gồm các khối chức năng chính sách lưu lượng, quản lý hàng đợi tích cực, lập lịch gói và chia cắt lưu lượng.
(i) Đánh dấu gói tin IP
Chức năng đánh dấu gói đặt các bít nhị phân vào trường chức năng đặc biệt của tiêu đề gói tin IP nhằm phân biệt kiểu của gói tin IP với các gói tin IP khác. Các gói tin đã được đánh dấu khi đến một cổng đầu vào vẫn có thể được đánh dấu lại nếu các giá trị đã được đánh dấu vi phạm chính sách của bộ định tuyến đang thực hiện chuyển gói. Ví dụ, nếu một gói được chuyển qua nhiều vùng dịch vụ phân biệt, các gói tin sẽ được đánh dấu nhiều lần để phù hợp với các thỏa thuận mức dịch vụ SLA giữa các vùng. Trường hợp các gói tin chưa được đánh dấu sẽ được đánh dấu để nhận giá trị phù hợp với chính sách của bộ định tuyến.
(ii)Phân loại gói tin IP
Phân loại gói được sử dụng để nhóm các gói IP theo luật phân lớp dịch vụ. Các gói IP được lựa chọn trên các trường chức năng của tiêu đề IP sử dụng cho đánh dấu gói IP. Phân loại gói tin IP thường sử dụng hai phương pháp:
Phân loại đa trường MF (Multi-Field)
Trong phương pháp này, các gói tin được phân loại dựa trên tổ hợp các giá trị của một hoặc nhiều trường chức năng trong tiêu đề IP. Bên cạnh đó, các tham số khác như nhận dạng giao diện cổng vào cũng có thể sử dụng cho mục đích phân loại.
Phân loại kết hợp hành vi BA (Behavior Aggregate)
Phương pháp này thực hiện phân loại các gói dựa trên trường chức năng chứa giá trị điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP.
Hình 2.12. Phương pháp phân loại gói theo kết hợp hành vi
(iii)Chính sách lưu lượng
Chính sách lưu lượng được sử dụng nhằm kiểm tra các luồng lưu lượng gói tin IP đến trên các cổng đầu vào của bộ định tuyến có phù hợp với các tốc độ lưu lượng đã được thỏa thuận và xác định hay không.
Chính sách lưu lượng kiểm tra tốc độ lưu lượng đầu vào theo tốc độ thông tin cam kết CIR (Committed Information Rate), tốc độ thông tin đỉnh PIR (Peak Information Rate) và một số tham số phụ như kích thước bùng nổ đỉnh PBS (Peak Burst Size), kích thước bùng nổ cam kết (Committed Burst Size), kích thước bùng nổ vượt ngưỡng EBS (Excess Burst Size).
(iv)Quản lý hàng đợi tích cực
Quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Management) là một kỹ thuật điều khiển chống tắc nghẽn. Ý tưởng chính của kỹ thuật này là dự đoán trước khả năng tắc nghẽn và đưa ra một số hoạt động điều khiển để chống lại hoặc giảm thiểu khả năng tắc nghẽn. Ba kỹ thuật cơ bản thường áp dụng trong quản lý hàng đợi là loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên RED (Random Early Discarding), loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED (Weighted Random Early Discarding) và thông báo tắc nghẽn rõ ràng ECN (Explicit congestion Notification).
Hai kỹ thuật RED và WRED liên quan tới các hoạt động trong hàng đợi, không liên quan trực tiếp tới thiết bị đầu cuối. ECN đưa ra cách tiếp cận liên quan trực tiếp tới thiết bị đầu cuối.
(v) Lập lịch cho gói tin
Lập lịch cho gói tin IP thực hiện thiết lập thứ tự cho các gói ra khỏi hàng đợi, dựa trên đặc tính của cổng đầu ra, các gói tin sẽ được phân bố và chuyển tới đầu ra theo luật. Kỹ thuật lập lịch là mấu chốt trung tâm của chất lượng dịch vụ và là thước đo công nghệ giữa các nhà cung cấp khác nhau.
Một số kiểu lập lịch thường sử dụng là vào trước ra trước FIFO (First in - First out), hàng đợi ưu tiên PQ (Priority Queuing), hàng đợi cân bằng FQ (Fair Queuing), hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR (Weighted Round Robin), hàng đợi cân bằng
Phân loại kết hợp hành vi BA
theo trọng số WFQ (Weighted Fair Queuing) và hàng đợi cân bằng trọng số dựa theo lớp (Class–based WFQ).
(vi)Chia cắt lưu lượng
Chia cắt lưu lượng để thay đổi tốc độ luồng lưu lượng đến giúp điều hòa lưu lượng với đầu ra. Nếu lưu lượng đầu vào có độ bùng nổ cao, luồng lưu lượng cần phải đệm để đầu ra bớt bùng nổ và mềm hơn. Việc điều chỉnh tốc độ lưu lượng giống như một quá trình dừng và đi, thời gian trễ tại bộ đệm sẽ làm các gói tại đầu ra được điều chỉnh theo yêu cầu. Hai dạng chia cắt lưu lượng hay được dùng là chia cắt lưu lượng thuần và chia cắt lưu lượng gáo rò.
2.4 CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO QoS IP 2.4.1 Kỹ thuật đo lưu lượng và màu hóa lưu lượng 2.4.1 Kỹ thuật đo lưu lượng và màu hóa lưu lượng