Chương 3. QUẢN LÝ BĂNG THÔNG MẠNG MEN
3.2. Quản lý băng thông tĩnh
3.2.1. Mô hình quản lý băng thông tĩnh
Quá trình thực hiện cam kết chất lượng dịch vụ đòi hỏi kết hợp các kỹ thuật điều khiển lưu lượng vào với các kỹ thuật phân phối lưu lượng ra. Điều khiển lưu lượng vào sẽ điều tiết gói dữ liệu đến giao diện mạng đầu vào. Phân phối lưu lượng ra định nghĩa quy tắc dịch vụ hàng đợi cho các giao diện mạng đầu ra bao gồm thứ tự các gói tin được thực sự chuyển đi. Mô hình quản lý băng thông như trên được gọi là mô hình quản lý băng thông tĩnh.
Hình 3.1. Mô hình quản lý băng thông tĩnh
3.2.2. Điều khiển lưu lượng vào 3.2.2.1. Giải thuật thùng đựng thẻ
Giải thuật thùng đựng thẻ là một cơ chế điều khiển lưu lượng vào dựa trên sự xuất hiện của các thẻ trong thùng. Thùng thẻ chứa các thẻ, mỗi thẻ đại diện cho một đơn vị lưu lượng theo byte hoặc gói tin. Để truyền một gói tin, trong thùng sẽ bị rút bớt một lượng thẻ tương ứng. Người quản trị mạng chỉ định số thẻ cần thiết tương ứng với số byte cần truyền. Khi đủ thẻ trong thùng thì dữ liệu được cho phép truyền qua, ngược lại nếu không còn thẻ thì dữ liệu sẽ không được truyền qua. Do đó, một luồng dữ liệu chỉ có thể được truyền ở tốc độ cao nhất khi đủ thẻ trong thùng.
Giải thuật thùng thẻ được trình bày như sau:
- Mỗi thẻ được đưa vào thùng với tốc độ 1/r giây.
- Thùng chỉ có thể chứa tối đa b thẻ.
- Một thẻ sẽ bị huỷ bỏ nếu khi thẻ đến gặp lúc thùng đầy.
- Khi một gói tin n byte truyền đến, n thẻ sẽ được loại khỏi thùng, sau đó gói tin sẽ được truyền qua.
- Nếu số thẻ còn trong thùng nhỏ hơn n, gói tin sẽ không được truyền và được gọi là không đúng điều kiện, thẻ cũng sẽ không bị loại khỏi thùng.
Hình 3.2. Kỹ thuật thùng đựng thẻ
Giải thuật cho phép tốc độ đỉnh tối đa b byte, nhưng tốc độ truyền gói tin của hệ thống bị giới hạn ở tốc độ r. Các gói tin không đúng điều kiện có thể được xử lý theo các cách sau:
- Có thể bị huỷ
- Có thể được xếp hàng và chờ cho đến khi đủ thẻ trong thùng
- Có thể được truyền qua, nhưng được đánh dấu là không đúng điều kiện, và có thể bị huỷ nếu hệ thống mạng trong tình trạng quá tải.
3.2.2.2. Điều khiển lưu lượng vào
Nội dung chính của cơ chế điều khiển lưu lượng vào là đảm bảo tài nguyên mạng không được quá tải. Nói cách khác, nó phải đảm bảo rằng tổng tỷ lệ đăng ký sử dụng tài nguyên của mọi luồng lưu lượng truyền qua mọi kết nối mạng là không lớn hơn dung lượng của kết nối. Phương trình toán học biểu diễn như sau:
∑
=n ≤ i
Ri
1 à
Trong đú à là dung lượng kết nối tớnh bit/giõy và Ri tỉ lệ lưu lượng của luồng thứ i
3.2.2.3. Giải thuật điều khiển lưu lượng vào CAR (Committed Access Rate)
CAR là giải thuật điều khiển lưu lượng vào phổ biết nhất. Việc cài đặt CAR gồm điều khiển lưu lượng theo luồng vào phân lớp các luồng dựa trên ToS, địa chỉ IP nguồn, IP đích, giao thức và chỉ số cổng. Giải thuật CAR được trình bày như sau:
- Phân lớp lưu lượng: Dựa trên các điều kiện như IP procedence, DSCP hay CoS lưu lượng được chia thành các lớp khác nhau để xử lý.
- Đo lường lưu lượng: CAR sử dụng giải thuật thùng đựng thẻ như trình bày ở trên để thực thi tính toán tốc độ luồng dữ liệu.
- Thực thi chính sách: Một chính sách bao gồm nhiều yếu tố sau.
Các lớp lưu lượng tuân theo profile hay không tuân theo đều được CAR xử lý khác nhau.
(3.1)
Tốc độ cam kết trung bình xác định tốc độ trung bình. Các luồng dữ liệu thấp hơn hoặc bằng với tốc độ trung bình được gọi là tuôn theo profile còn nếu lớn hơn được gọi là không tuân theo profile.
Kích thước đỉnh bình thường xác định lưu lương cho phép trước khi kiểm tra xem lưu lượng có tuôn theo profile hay không.
Kích thước đỉnh quá mức, lưu lượng nằm giữa kích thước đỉnh quá mức và kích thước đỉnh bình thường được gọi là không tuân theo profile.
Một tác động là cách đối xử khác nhau giữa các luồng dữ liệu tuân theo profile hay không.
Tốc độ luồng dữ liệu đo được từ giải thuật thùng đựng thẻ sẽ được phân ra làm 2 loại là loại phù hợp với profile và loại vượt ngưỡng profile chính sách sẽ tác động lên gói tin bao gồm:
- Tiếp tục kiểm tra chính sách kế tiếp - Hủy gói tin
- Thiết lập giá trị IP procedence trong phần mào đầu của gói tin và kiểm tra chính sách kế tiếp.
- Chuyển tiếp gói tin đi tiếp 3.2.3. Điều khiển lưu lượng ra
Hình 3.3. Giải thuật CAR
Cơ sở của việc phân phối lưu lượng ra là cấu trúc hàng đợi. Bộ phân phối lưu lượng quyết định trật tự ra khỏi hàng của các phần tử trong hàng đợi, vì vậy chúng liên quan đến việc cấp phát tài nguyên trong các bộ chuyển mạch và định tuyến, mô hình tổng quát của bộ phân phối lưu lượng ra được trình bày trong hình 3.4
3.2.3.1. Các thành phần của giải thuật phân phối lưu lượng ra
Các giải thuật xử lý hàng đợi nhằm đưa ra 3 thông số liên quan đến việc truyền gói tin sau đây:
- Băng thông – dành để truyền gói tin.
- Độ ưu tiên – xác định thời điểm truyền các gói tin.
- Không gian bộ đệm – nơi huỷ gói tin tại cổng ra.
Khi nghiờn cứu việc cấp phỏt băng thụng, rừ ràng rằng giải thuật phõn phối lưu lượng ra tại cổng vào/ra của bộ định tuyến đóng vai trò quyết định nhất trong việc cấp phát băng thông cho các luồng hoặc các kết hợp luồng dữ liệu. Trong nghiên cứu cấp phát băng thông trên kết nối chia sẽ.
Trong các nội dung trên, cách dễ nhất để giảm độ phức tạp của giải thuật phân phối lưu lượng ra là sự cân nhắc giữa độ phức tạp và tính linh hoạt của bộ phân phối lưu lượng ra. Vì vậy, công việc của chúng ta tập trung vào việc cài đặt hiệu quả giải thuật phân phối lưu lượng ra nhằm điều khiển việc cấp phát băng thông thực sự, yêu cầu mà giải thuật cấp phát băng thông và không gian bộ đệm tùy theo các điều kiện và các yêu cầu QoS của một luồng dữ liệu.
Hình 3.4. Mô hình phân phối lưu lượngra
3.2.3.2. Phân loại các giải thuật phân phối lương lượng
Các giải thuật hàng đợi được phân chia trong hình 3.5. Trong một môi trường nhiều hàng đợi, các giải thuật phân phối lưu lượng ra chính như sau:
FIFO: kỹ thuật hàng đợi đơn giản nhất là FIFO, nó thực hiện lưu trữ trong bộ đệm và chuyển tiếp gói tin theo thứ tự đến. Hiện tại đây là giải thuật hàng đợi được sử dụng được sử dụng phổ biến nhất trên internet. Kỹ thuật này gần như không kiểm soát nghẽn đối vời nguồn lưu lượng, thứ tự đến hoàn toàn quyết định băng thông, độ ưu tiên, cấp phát không gian bộ đệm cho luồng dữ liệu.
FIFO không thực hiện ưu tiên hoặc phân lớp lưu lượng và do đó không có sự ưu tiên truyền gói tin. Chúng chỉ có một hàng đợi, mọi gói tin được đối xử như nhau. Các gói tin được gửi đến cổng vào/ra ra theo thứ tự đến. Vì vậy đây là phương pháp xử lý hàng đợi nhanh nhất. Phương pháp này hiệu quả đối với những kết nối dung lượng lớn, hầu như không nghẽn và độ trễ thấp. Đối với các nhà cung cấp dịch vụ, kết nối băng thông lớn, ít nghẽn thì áp dụng FIFO là phù hợp.
Hình 3.6. Hàng đợi FIFO Hình 3.5. Các giải thuật hàng đợi
FIFO là kỹ thuật hàng đợi mặc định trên hầu hết các Interface trên thiết bị Router. Bất kỳ lưu lượng nào đi vào bộ đệm trước thì được truyền đi ra Interface trước. Khi lượng lưu lượng đi vào từ interface tăng lên thì nó có thể làm cho hàng đợi FIFO bị đầy, khi đó hàng đợi sẽ thực hiện “cắt bớt phần đuôi” khi các lưu lượng tiếp tục đi vào cho đến khi nó xử lý các gói tin trước đó và không gian bộ đệm đủ để đón nhận các gói tin mới đi vào. Kiểu hàng đợi này có hiệu quả cao và phù hợp cho các đường liên kết có dung lượng cao, chúng sẽ không có nhiều độ trễ hoặc tắc nghẽn khi sử dụng hàng đợi FIFO. FIFO lưu trữ các gói tin khi mạng bị tắc nghẽn và chuyển tiếp chúng theo thứ tự chúng đi vào khi mạng không còn bị tắc nghẽn.
Tuy nhiên, nó lại làm tăng khả năng mất gói khi lưu lượng tăng lên.
Hàng đợi ưu tiên (PQ): Kỹ thuật này là cở sở cho một lớp các giải thuật phân phối lưu lượng ra được thiết kế để đáp ứng các lớp dịch vụ khác nhau như hình 3.7.
Trong PQ cổ điển, đầu tiên các gói tin được phân lớp bởi hệ thống và đặt trong các hàng đợi ưu tiên khác nhau. Các gói tin được đặt tại đầu hàng đợi nếu mọi hàng đợi có độ ưu tiên cao hơn đang trống. Trong mỗi hàng đợi, các gói tin được sắp xếp theo thứ tự FIFO.
Hàng đợi PQ đưa lại độ ưu tiên lớn nhất cho các lưu lượng có độ ưu tiên cao.
Do đó, chúng ta có thể sử dụng một chính sách hoặc lọc để gán lưu lượng vào trong mỗi loại hàng đợi phù hợp. Vì vậy, nó không chỉ bảo đảm các lưu lượng có độ ưu tiên cao được truyền đi (các gói tin trong hàng đợi có độ ưu tiên cao có thể đòi 100% băng thông của liên kết với độ trễ nhỏ, và jitter nhỏ) mà còn có lợi trong việc hạn chế số lượng lưu lượng đi qua mạng nhằm hạn chế tắc nghẽn trên đường truyền.
Tuy nhiên, đối với các lưu lượng có độ ưu tiên thấp có thể bị “chết đói”; nghĩa là các lưu lượng có độ ưu tiên thấp có thể không bao giờ được truyền di.
Hình 3.7.Hàng đợi ưu tiên PQ
Fair Queuing(FQ): FQ được đề xuất lần đầu trong RFC970. Đây là cơ sở cho một lớp các luật sắp xếp hàng đợi được thiết kế để đảm bảo mỗi luồng đều truy cập công bằng đến tài nguyên mạng và ngăn chặn các luồng đột biến bằng các tiêu tốn nhiều tài nguyên hơn phần được cấp phát tại cổng vào/ra. Trong kỹ thuật này, gói tin được phân chia vào các luồng bởi hệ thống rồi sau đó gán vào một hàng đợi dành riêng cho hàng đợi đó. Các hàng đợi thường chỉ phục vụ mỗi gói tin một lần theo thứ tự vòng tròn, trong đó các hàng đợi rỗng được bỏ qua, như hình 3.8 dưới đây.
Hàng đợi xoay vòng theo trọng số WRR :Các vòng tròn có trọng số hay hàng đợi theo lớp (CBQ), là cơ sở cho một lớp các luật sắp xếp hàng đợi được thiết kế để khắc phục các hạn chế của FQ và PQ. Trong mô hình như hình 3.9, đầu tiên các gói tin được chia thành các lớp dịch vụ khác nhau và gán vào một hàng đợi dành riêng cho lớp dịch vụ đó. Mỗi hàng đợi làm việc theo thứ tự vòng tròn.
Phương pháp này hỗ trợ cấp phát băng thông khác nhau giữa các lớp dịch vụ. Nó có thể được cài đặt bằng cách cho phép các lớp có trọng số cao hơn truyền nhiều gói tin hơn trong một vòng phục vụ hoặc cho phép mỗi hàng đợi chỉ truyền một gói tin tại mỗi thời điểm nhưng sẽ phục vụ nhiều lần các hàng đợi có trọng số cao.
Hình 3.8. Hàng đợi cân bằng FQ
Hình 3.9.Hàng đợi xoay vòng trọng số WRR