Tắc nghẽn là một hiện tượng rất quen thuộc trên mạng mà nguyên nhân nói chung là do tài nguyên mạng giới hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin của con người lại không có giới hạn, ngày càng tăng nhanh. Vì vậy, hiện tượng tắc nghẽn mạng là khó tránh khỏi.
Nguyên nhân là do bản chất tự nhiên của dữ liệu người dùng đưa vào mạng. Khi mạng không kịp đối phó với sự gia tăng đột ngột của lưu lượng thì tắc ngẽn sẽ xẩy ra.
Tốc độ xử lý chậm, cấu hình bộ đinh tuyến kém cũng là một nguyên nhân quan trọng gây nên tắc nghẽn, bời vì chúng ta có thể làm hàng đợi bị tràn ngay cả khi lưu lượng gói số liệu đến nút mạng nhỏ hơn năng lực vận tải của đường truyền đi ra.
Bất cứ mạng quản lý lưu lượng và người dùng trên cơ sở yêu cầu phải giải quyết vấn đề tắc nghẽn.Việc quản lý tất cả lưu lượng của người dùng để ngăn chặn tắc nghẽn là khía cạnh quan trọng của bức tranh QoS. Tắc nghẽn làm giảm thông lượng và làm tăng độ trễ. Tắc nghẽn là hồi chuông báo tử của hiệu quả QoS.
Hầu hết các mạng cung cấp các quy tắc truyền dẫn cho người dùng của nó bao gồm sự thoả thuận lượng lưu lượng có thể gửi tới mạng trước khi luồng lưu lượng bị điều chỉnh (điều khiển luồng).Điều khiển luồng là một thành phần đặc trưng để ngăn chặn tắc nghẽn trong mạng.Thật dễ dàng để hiểu sự lo lắng của các nhà quản lý mạng khi gặp phải tắc nghẽn, bởi vì nó có thể dẫn đến sự suy giảm gay
gắt của các hoạt động mạng cả độ thông qua và độ đáp ứng thời gian.
Để giải quyết vấn đề này có hai hướng giải quyết tổng quan nhất, đó là: + Tăng tài nguyên của mạng( mở rộng nút mạng, tăng các tuyến truyền dẫn, tăng băng thông của mạng…)
+ Điều khiển để tránh tắc nghẽn mạng.
Với cách thứ nhất thì chi phí đầu tư lớn, làm thay đổi phần cứng của mạng và không thể thực hiện thường xuyên được.
Còn cách thứ hai thì sử dụng các thuật toán, các giao thức để điều khiển chống tắc nghẽn mạng. Cách này đầu tư nhỏ, không ảnh hưởng đến phần cứng của mạng và rất mềm dẻo linh hoạt và đây là Phương án khả thi, thích hợp với điều kiện ở Việt Nam.
Tuy nhiên điều khiển chống tắc nghẽn mạng là một vấn đề phức tạp, nhất là khi
mạng ngày càng phát triển rộng lớn, dịch vụ gia tăng nhanh, các dịch vụ mới ngày càng nhiều, số lượng người sử dụng tăng đột biến kèm theo vấn đề lưu lượng tăng vọt và biến đổi động. Vì vậy điều khiển tắc nghẽn mạng ngày cảng trở lên cấp thiết.
2.3.2 Hiện tượng tắc nghẽn
Khi lưu lượng trong mạng đến một điểm nào đó, sự tắc nghẽn nhẹ bắt đầu xảy ra, với sự giảm sút trong thông lượng. Hình 2.19 chỉ ra vấn đề này.Nếu điều này tiếp diễn như đường tuyến tính, thì nó sẽ không phải là vấn đề quá phức tạp. Tuy nhiên, tại một thời điểm khi hoạt động của mạng đạt đến một cấp độ nào đó thì thông lượng sẽ tụt xuống theo đường thẳng bởi vì sự tắc nghẽn nghiêm trọng và sự tích tụ lại các gói tại hàng đợi.
Do đó, các mạng phải cung cấp một vài kỹ thuật để thông báo các node mắc phải trong mạng khi tắc nghẽn xảy ra và cung cấp kỹ thuật điều khiển luồng trên thiết bị người dùng bên ngoài mạng.
Tắc nghẽn tối thiểu là một trong các mục đích hoạt động định hướng tài nguyên và lưu lượng quan trọng nhất.Hình 2.19 chỉ ra việc tắc nghẽn diễn ra trong một thời gian dài. Với sự giả sử này, tắc nghẽn có thể được miêu tả bởi 2 cách.
dùng.Cách thứ 2, phức tạp hơn, có đủ tài nguyên mạng để hỗ trợ QoS của người dùng nhưng các dòng lưu lượng không được sắp xếp hợp lý khi vào mạng. Do đó, một vài phần của mạng không được dùng đến trong khi các phần khác thì bị chất đầy bởi lưu lượng người dùng.
Thông lượng
Ít tắc nghẽn Tắc nghẽn nghiêm trọng
Yêu cầu sửa chữa
Hình 2.19 Các vấn đề tắc nghẽn tiềm tàng
- Việc chống tắc nghẽn này để điều chỉnh kích thước của cửa sổ gửi như sau: Nếu xảy ra tắc nghẽn thì giảm đi theo phép nhân (nhân với 0,875), trong trường hợp ngược lại thì kích thước cửa sổ được tăng lưu lượng
- Vấn đề đầu tiên được giải quyết bởi việc xây dựng các mạng với băng tần rộng hơn. Vấn đề này có thể được giúp đỡ bởi việc ứng dụng các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn như hoạt động điều khiển cửa sổ lưu lượng với thông báo tắc nghẽn và “receive not ready”. Vấn đề chủ yếu đối với băng tần rộng hơn là sự sử dụng nghèo nàn tài nguyên mạng trong khoảng thời gian có ít lưu lượng. Nó hơi giống cách xây dựng một hệ thống giao thông tự do mà chấp nhận lưu lượng dồn dập tất cả các giờ trong khi tại 2 giờ sáng thì tất cả các đường đều trống rỗng.
-Vấn đề thứ hai, chỉ định tài nguyên không hiệu quả, thường xuyên được gửi thông qua kỹ thuật lưu lượng. Tài nguyên là sẵn có trong mạng vấn đề chỉ là tìm chúng và hướng lưu lượng người dùng tới nó.
quả có thể giảm đi bởi việc làm theo các hoạt động xử lý cân bằng tải trọng, đó là hướng lưu lượng tới các liên kết và các node hiệu dụng. Ý tưởng này là tắc nghẽn lớn nhất là nhỏ nhất bởi việc tránh đường cong không mong muốn (như hình 2.19 ).Hiển nhiên, kết quả là thông lượng tăng lên, giảm việc mất và trễ lưu lượng.
2.3.3 Phương pháp giải quyết tắc nghẽn
a. Một số phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn truyền thống
DECbit [12]
DECbit là một trong các mô hình điều khiển chống tắc nghẽn sớm nhất. Phương pháp này sử dụng phản hồi ẩn. Trong DECbit, mạng cung cấp thông tin phản hồi cho phép phía gửi điều chỉnh lưu lượng vào mạng. Các bộ định tuyến giám sát kích thước trung bình của hàng đợi trong khoảng thời gian được định nghĩa. Nếu độ dài trung bình của bộ đệm vượt quá ngưỡng (threshold) thì bộ định tuyến thiết lập một bit chỉ dẫn chống tắc nghẽn (gọi là DECbit) trong các gói tin để thông báo sự tắc nghẽn của mạng. Phía nhận gửi lại bit này trong thông báo nhận được đến phía gửi. Phía gửi giám sát các bit chỉ dẫntheo phép cộng . ECbit là phương pháp khá đơn giản và hữu hiệu. Tuy nhiên, căn cứ vào các tiêu chí nêu trên thì thuật toán này không đạt được tính hiệu quả vì lưu lượng bị gạt bỏ đáng kể (qua hệ số 0,875) dẫn đến thông lượng rất thấp.Ngoài ra, các tiêu chí về tính bình đẳng, độ hội tụ, độ mịn điều khiển cũng không đạt được. Thuật toán không phù hợp cho các ứng dụng mới trong NGN.
Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP [12]
Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP thuộc loại điều khiển vòng kín phản hồi ẩn.
Quản lý chống tắc nghẽn TCP dựa trên thuật toán tăng cộng giảm nhân (AIMD). Nếu xảy ra tắc nghẽn, kích thước cửa sổ gửi giảm đi một nửa (nhân với 0,5), ngược lại thì tăng lên một giá trị là MSS (Maximum Segment Size).
Điều khiển chống tắc nghẽn trong TCP được thực hiện như sau: khởi tạo cập nhật ngưỡng tắc nghẽn (CT- Congestion Threshold) và tuỳ thuộc vào Wc (cửa sổ điều khiển chống tắc nghẽn) lớn hơn hay nhỏ hơn CT, lưu lượng TCP được điều
+ Pha 1: Pha bắt đầu chậm (Wc < CT):
− Khi một đoạn được báo là đã nhận được, Wc được tăng lên một giá trị MSS.
− Các gói được truyền vào kênh.
+ Pha 2: Pha chống tắc nghẽn (Wc > CT): − Đường truyền xảy ra tắc nghẽn.
− Giảm Wc xuống còn một nửa. − Cập nhật lại CT.
b. Một số phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn mới
Kĩ thuật điều khiển tắc nghẽn FATE [12]
Trong các mạng IP đang hoạt động, sẽ rất khó khăn trong việc kết hợp chặt chẽ quá trình điều khiển lưu lượng một cách có hiệu quả dựa vào các khả năng của công nghệ IP.Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS đề xuất các khả năng mới đối với các cơ chế điều khiển lưu lượng. Phương thức FATE cho phép giải quyết các vấn đề liên quan đến việc quản lí các luồng lưu lượng động qua mạng bằng cách tái cân bằng các luồng lưu lượng trong khoảng thời gian mạng bị tắc nghẽn.
+ Phương pháp FATE:
Hiện tại mạng có một lớp dịch vụ best effort đơn. Đối với lớp dịch vụ đơn này thì tất cả
các luồng lưu lượng coi như đã được nhận dạng, do đó sẽ không có mức dịch vụ ưu tiên kể cả khi có các yêu cầu về lưu lượng. Sử dụng phương pháp FATE, cơ chế lập biểu dịch vụ đã được lập trình sẵn ứng với từng lớp dịch vụ dựa vào bộ đệm tại tốc độ tương ứng với tải của bộ đệm cụ thể và cưỡng bức nhận dạng QoS của nó.
- Cơ chế lập biểu tạm thời được lập trình theo ngưỡng xác suất lỗi được đặt trước đối với từng bộ đệm theo từng ngưỡng tải. Trong trạng thái, khi tải lưu lượng qua bộ đệm tăng lên, lúc đó chức năng quản lí phải có khả năng thay đổi tạm thời cơ chế lập biểu nếu được yêu cầu. Và khoảng thời gian mà xác suất lỗi xảy ra trong mỗi bộ đệm sẽ được ghi lại, thậm chí trong trường hợp xác suất lỗi vượt qua
ngưỡng định trước thì chức năng quản lí cũng phải có khả năng quyết định thay đổi tạm thời cơ chế lập biểu.Phương pháp này không áp dụng đối với các trường hợp có tải thay đổi bất thường.Phương pháp FATE đưa ra ở trên cung cấp các phương tiện trong việc tái phân phối các luồng trên các đường LSP động giữa bộ đệm hoặc đường luân phiên nhằm phản hồi nhanh nhất các hiện tượng tắc nghẽn.
* Giám sát luồng lưu lượng và phát hiện tắc nghẽn trong LSP:
- Phương pháp giám sát cơ bản đã được sắp xếp đường LSP vào các bộ đệm theo yêu cầu QoS cụ thể của chúng và tình trạng tải. FATE cho phép từng đường LSP riêng biệt được tái sắp xếp động theo các mức QoS của các bộ đệm nhằm cung cấp mức dịch vụ cao hơn trong đường đã được qui định để phản hồi lại các tình huống tắc nghẽn tức thời. Phương pháp này được chỉ ra trong hình 2.20.
- Nếu LSR 5 không có khả năng tiếp cận các yêu cầu QoS, nó sẽ phản hồi lại một bản tin thông báo tới LER lối vào, tại đây LER này sẽ tiếp nhận một bản tin và sẽ hoặc quyết định yêu cầu mức dịch vụ cao hơn hoặc lựa chọn phương pháp định tuyến luân phiên. Cấu hình bộ đệm trong trường hợp này được minh hoạ như hình 2.21.a. Mỗi một LSR sẽ có một bộ đệm để cung cấp xác suất lỗi nhỏ nhất để qui định mức dịch vụ. Nếu LSR 3 nhận yêu cầu gán nhãn (Label Request) với yêu cầu xác suất lỗi nhưng nó không thể phục vụ tạm thời tại lớp dịch vụ ưa thích nhưng có thể thoả mãn tại lớp dịch vụ cao hơn, thì nó bắt buộc phải loại bỏ yêu cầu này.Trạng thái này được chỉ ra trong hình 2.21.b
Hình 2.20: Sự thiết lập lưu lượng
Như vậy phương pháp sẽ rất đơn giản trong việc tiếp cận giám sát chất lượng QoS đối với tắc nghẽn nội bộ tại LSR 3 trong việc tái xắp xếp đường LSP dọc theo toàn bộ tuyến.
Tuy nhiên, trong trường hợp này khi xuật hiện nhiều tắc nghẽn nội bộ tại LSR thì phương pháp nêu trên không có tính linh hoạt, trạng thái đó được miêu tả trong hình 2.21.c. Khi đó lưồng lưu lượng sẽ được sắp xếp vào một lớp dịch vụ tạm thời cao hơn có nghĩa là chỉ xuất hiện tắc nghẽn tức thời. Kết quả này giúp giám sát chất lượng QoS một cách chi tiết hơn.
Hình 2.22 mô tả lưu lượng giữa nguồn phát và nguồn đích giữa hai bộ đệm tại mỗi LSR, một bộ đệm phục vụ cho truyền tải lưu lượng ưu tiên mức cao (các ứng dụng với khắt khe về lỗi) bộ còn lại dùng cho mức ưu tiên thấp (lưu lượng best effort).Tại thời điểm khi lưu lượng tăng lên trong LSR 1, khi đó sẽ bắt đầu xuất hiện mất gói từ dịch vụ best – effort. Theo định kì, mỗi LSR sẽ tính toán mất gói trong từng đường LSP riêng biệt đi qua mỗi đầu vào bộ đệm. Nếu giá trị này vượt quá ngưỡng đã qui định trước, có nghĩa là vượt quá xác xuất lỗi được gán trước tại từng bộ đệm, khi đó nó sẽ được gán giá trị ngưỡng tại đó có thể gây nên tắc nghẽn trong
bộ đệm thuộc LSR đó và sau đó sử dụng cấu hình bộ đệm. a)
Lưu lượng nội bộ thêm vào là nguyên nhân của xác xuấttổn thất đi tới giá trị ngưỡng cho bộ đệm
b)
Hình 2.21 Cấu hình các bộ đệm dọc theo LSP
c)
Hình 2.21 Cấu hình các bộ đệm dọc theo LSP
Hình 2.22Lưu lượngtruyềntải giữa nguồnphátvànguồnđích Kĩ thuật điều khiển tắc nghẽn EWA và FEWA [12]
Phương pháp EWA (Explicit Window Adaptation) dùng thông báo một cách rõ ràng đến phía gửi về băng thông còn khả dụng của các đường ra bằng cách sử dụng cơ chế điều khiển lưu lượng giống như trong TCP để truyền thông
thông tin phản hồi được tính toán định kỳ dựa trên đánh giá dung lượng rỗi hiện tại của hàng đợi trong bộ định tuyến nhân với một biến α. α tuỳ thuộc vào giá trị khởi tạo và kích thước hàng đợi hiện tại. Nó được điều khiển theo thuật toán AIMD. EWA cho thấy các kết quả hoạt động tốt trong các bộ định tuyến có tải lớn, nhưng có một số vấn đề trong các bộ định tuyến hoạt động ở dưới mức tải trong hầu hết thời gian. Lý do nằm ở việc tính toán α, nó đặt quá nhiềuvào trọng tải trước đó của bộ định tuyến, vì vậy không
thể phản ứng lại đủ nhanh đối với những thay đổi lớn của các điều kiện tải.
Chính vì hạn chế đó EWA mờ (FEWA- Fuzzy EWA) đã phát triển, khác với EWA cũ chủ yếu ở việc tính toán α. FEWA sử dụng một bộ điều khiển mờ để tính α dựa theo giá trị hiện tại và một giá trị gần nhất của bộ đệm bộ định tuyến. Với các thay đổi này trong việc tính toán phản hồi bên trong bộ định tuyến, hiệu suất từ đầu cuối đến đầu cuối có thể đạt được lớn hơn so với EWA.
2.3 Kết luận chương
Nội dung chương 2 đã trình bày về kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS và điều khiển tắc nghẽn mạng MPLS. Các giao thức định tuyến đưa lưu lượng qua mạng theo con đường ngắn nhất mà không quan tâm đến các tham số khác dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả băng thông sẵn có trong mạng. Giao thức chiếm dụng tài nguyên RSVP, với những khả năng nó hỗ trợ, các cơ chế điều khiển lưu lượng trong mạng sẽ rất dễ dàng, giải quyết vấn đề tắc nghẽn trong mạng. Một ưu điểm nữa là khả năng hồi phục nhanh, giúp giảm thiểu tỉ lệ mất gói khi xảy ra lỗi trên các liên kết hoặc các nút chuyển mạch nhãn. Trong thực tế, RSVP là giao thức thông dụng nhất, được lựa chọn cho quá trình điều khiển lưu lượng trong một mạng.
Chương 3: GIẢI PHÁP TRONG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG ĐỂ TRÁNH NGHẼN MẠNG XẨY RA
Trong phần này luận văn sẽ trình bày kiến trúc mạng IP/MPLS của một nhà khai thác điển hình tại Việt Nam và giải pháp điều khiển lưu lượng để giải quyết tránh tắc nghẽn mạng xảy ra. Các số liệu topo mạng, lưu lượng được đo theo thời gian thực và xử lý bằng phương pháp thống kê. Tuy nhiên để đảm bảo bí mật thông tin luận văn xin được phép bỏ các thông tin gắn liền với tên thết bị và tên nhà khai thác.
3.1 Cấu hình mạng MPLS của nhà khai thác tại Việt Nam
3.1.1 Kiến trúc mạng IP/MPLS của nhà khai thác dịch vụ viễn thông
Mạng IP/MPLS core của nhà khai thác là mạng đám mây thực hiện chức năng lớp transport trong mạng NGN, nó hiện được coi là ngôi nhà chung của toàn mạng của nhà cung cấp dịch vụ, chứa đựng tất cả các mạng MAN, Internet tốc độ cao phân bổ trong mạng Core và mở ra một mạng core của mạng thế hệ sau NGN. Mạng được xây dựng và mở rộng để cung cấp tất cả các dịch vụ đang tồn tại và hỗ trợ đưa ra một số dịch vụ mới như IPTV và video-on-demand và thực hiện việc cân bằng của mạng quốc gia backbone NGN với khả năng phân chia các dịch vụ như đã được mô tả bởi mạng của nhà cung cấp:
- Internet tốc độ cao (truy nhập Broadband ) - Voice trên IP (VoIP)
- Những dịch vụ Multicast Video (ví dụ như IP TV, Video Conferencing) - Những dịch vụ Unicast (ví dụ như Video on Demand)
- Dịch vụ IP-VPN lớp 3
- Dịch vụ VPN lớp 2(VPLS&Pseudo-wire/VPWS) - Đang thực hiện kết nối với MAN-E tại một sốtỉnh
3.1.2 Mô hình mạng và thành phần chính cấu thành lên mạng IP/MPLS
a. Mô hình mạng của nhà cung cấp dịch vụ
Mô hình mạngdựa trên kế hoạch thiết kế với dual LSR core với 5 vùng chính.Đó là HNI, HCM, HPG, DNG và CTO.Nhà cung cấp LSR biên với 5 vùng đó sẽ được kết nối đến 2 vị trí router trong trung tâm của vùng.
Hình 3.1Mô hình mạng IP/MPLScủa nhà cung cấp dịch vụ
Những LSR core là dòngT-1600 cung cấp bởi nhà cung ứng mạng Juniper.Router biên và những router làm chức năng ASBR là dòng router 7750SR-7