CHƯƠNG 3: ĐO KIỂM MỘT SỐ CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA
3.1 Kết quả đo thông số Diffserv
3.1.1 Bài đo Tốc độ truy cập cam kết (CAR)
*Mô tả:
CAR là một cơ chế QoS của CISCO, bao gồm các chức năng sau:
Phân loại gói đa trường: Các loại lưu lượng có thể được định nghĩa nhờ danh sách truy cập mở rộng.
Đánh dấu hoặc đánh dấu lại gói: ngay cả các lưu lượng được phát bởi các ứng dụng không hỗ trợ diffserv cũng có thể đƣợc gắn nhãn với một mức ƣu tiên (precedence) nào đó. Đánh dấu lại thường được dùng tại các router ở biên mạng giữa hai miên diffserv, khi cần phải thay đổi mức ƣu tiên này thành một mức ƣu tiên khác cho phù hợp với chính sách của mỗi miền diffserv.
Khống chế: ngƣỡng trên của tốc độ đƣợc định nghĩa và giới hạn cho một loại lưu lượng. Khống chế cũng là một chức năng dùng ở router biên mạng. Nó dùng để thực hiện thoả thuận mức độ dịch vụ, ví dụ như để giới hạn một loại lưu lượng nào đó ở một tốc độ nhất định. Khống chế là một chức năng quan trọng nhằm thực hiện cấp phát tài nguyên một cách phù hợp.
Hình 3-1 Cấu hình đo tốc độ truy cập cam kết
Trên một giao diện, CAR có thể được thực hiện ở cả lưu lượng đầu vào và đầu ra trên cả các giao diện vật lý và giao diện logic.
Bài đo Khống chế, trường hợp Exceed Action [20]
*Mục đích:
Xác nhận rằng, khi tốc độ lưu lượng của một luồng vượt quá ngưỡng đã thiết lập, lưu lượng vượt quá ngưỡng sẽ bị loại bỏ hoặc truyền tiếp ở một mức ưu tiên khác, tuỳ thuộc cài đặt Exceed action.
*Cấu hình đo:
Lưu lượng được phát ra tại INFN và thu tai DANTE hoặc SWITCH. Tốc độ phát là 1,3Mbps cho mỗi loại lưu lượng. Dải thông của một kết nối là 2Mbps.
Đối với lưu lượng đến DANTE, exceed action là drop. Đối với lưu lượng đến SWITCH, exceed action là đặt lại mức ƣu tiên thành giá trị 0.
*Kết quả:
Bảng 3-1 so sánh các số liệu thông lƣợng đƣợc đo bởi hai bộ thu
Bảng 3-1 Ảnh hưởng của các exceed action CAR khác nhau lên lưu lượng UDP (thông lƣợng trên không bao gồm overhead)
Thông lƣợng tại phía thu (Mbps) SWITCH
Exceed action = set precedence to 0
DANTE Exceed action = drop
1.200 0.386
Bảng kết quả trên cho thấy thông lượng của lưu lượng bị hạn chế tốc độ thì sẽ bị loại bỏ (lưu lượng đến DANTE), bằng với ngưỡng đặt bởi CAR. Trong trường hợp của lưu lượng đi đến SWITCH, dòng UDP có thể lấy thêm tài nguyên: thông lƣợng của nó vƣợt quá 800 Kbps.
*Nhận xét:
Khi thực hiện CAR, các luồng sẽ bị hạn chế tốc độ truyền tuỳ thuộc mức ƣu tiên và tốc độ tối đa gán cho mỗi luồng/ loại luồng. Dung lƣợng vƣợt quá tốc độ tối đa sẽ được truyền tiếp hoặc rớt tuỳ theo cài đặt. Trong trường hợp không bị nghẽn mạch, tốc độ của luồng có thể vƣợt quá tốc độ ngƣỡng CAR (nếu exceed action cho phép truyền tiếp ở mức ƣu tiên nào đó).
3.1.2 Bài đo kích thước bursts bình thường và vượt quá
*Mục đích:
Hoạt động của bộ khống chế đƣợc định nghĩa bởi hai thông số cấu hình quan trọng, đó là burst bình thường và bursts vượt quá. Nếu bursts bình thường và bursts vƣợt quá đƣợc đặt bằng nhau thì lúc đó thuật toán của bộ khống chế giống như token bucket truyền thống với kích thước bucket thông thường, có tính chất là sẽ gây ra loại bỏ cuối hàng (tail droping) trong trường hợp hết token.
Thực hiện kích thước bursts vượt quá có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của sự loại bỏ gói lên thông lƣợng TCP. Trên thực tế, nhờ việc xác suất loại bỏ gói chỉ tăng từ từ nên đã tránh đƣợc hiện tƣợng loại bỏ gói hàng loạt, mà chỉ xảy ra loại bỏ gói cục bộ. Điều này giúp dòng TCP có khả năng thích nghi dần với mất gói khi tốc độ tổng hợp tiến gần hơn đến ngƣỡng CAR.
*Cấu hình đo: như hình dưới đây
Hình 3-2 Cấu hình đo kích thước bursts bình thường và vượt quá
Các dòng TCP đƣợc phát từ máy trạm đo thử tại trạm IT tới máy trạm đo thử SWITCH. Tốc độ truy cập cam kết đƣợc đặt là 1,296 Mbps, exceed action là drop.
*Kết quả:
Bảng 3-2 là kết quả thông lƣợng của một kết nối TCP đơn lẻ
Luồng TCP đi đến SWITCH
tốc độ max: 1,296Mbps Exceed action: rớt
Nhận xét: khi kích thước burst bình thường đặt ở giá trị thấp thì thông lượng của luồng không đạt được mức ngưỡng CAR. Thông lượng này có xu hướng cải thiện tăng tới ngưỡng CAR nếu ta tăng dần kích thước burst vượt quá.
Bảng 3-2 Thông lượng của một kết nối TCP khi tăng giá trị của kích thước burst bình thường và vượt quá
Thông lƣợng của một kết nối TCP (Mbps) Bình
thường (bytes)
Vƣợt quá (bytes)
32000 48000 64000 96000 128000
32000 0.98 1.23 1.23 1.25 1.25
48000 1.09 1.21 1.25 125
64000 1.18 1.24 1.25
96000 1.24 1.25
128000 1.25
3.1.3 Bài đo chức năng Xếp hàng có trọng số theo loại (Class-Based Weighted Fair Queuing - CB-WFQ)
*Mô tả:
CB-WFQ có chức năng cấp phát tài nguyên một cách công bằng giữa các dòng lưu lượng, tuân theo chính sách thiết lập trước. Mỗi dòng được cấp một hàng đợi dành riêng, với kích thước cài đặt được, và các hàng đợi được phục vụ với tốc độ tỷ lệ với trọng số của hàng, mà trọng số này là một hàm số của dải thông đƣợc cấp cho dòng đó.
Với CB-WFQ, các loại lưu lượng có thể được định nghĩa qua các tiêu chí phù hợp, dùng danh sách truy cập (access-lists). Mỗi loại sẽ đƣợc cấp một dải thông nhất định. Đối với mỗi loại lưu lượng, CB-WFQ xác định dải thông tối thiểu cần cấp phát. Điều đó có nghĩa WFQ không ngăn cản bất cứ dòng nào nhận nhiều dung lượng hơn khi đường truyền không bị tắc nghẽn.
*Mục đích:
Dưới đây ta sẽ thực hiện bài đo Độ cách ly lưu lượng (traffic isolation) đối với CB-WFQ. Bài đo này nhằm khẳng định lại rằng các dòng có mức ƣu tiên cao sẽ được bảo vệ trước lưu lượng lớn của các dòng best-effort.
Hình 3-3 Cấu hình đo chức năng Xếp hàng có trọng số theo loại (Class- Based Weighted Fair Queuing - CB-WFQ)
*Cấu hình đo:
Bài đo đƣợc thực hiện bằng cách đánh dấu CAR tại router biên và cài đặt CB- WFQ tại giao diện hướng ra tới mạng trục. Việc phân loại dựa trên các giá trị mức ưu tiên đã được đặt bởi CAR. Lưu lượng vượt quá ngưỡng của CAR được rớt để ngăn nó dùng nhiều dải thông hơn so với quy định của CB-WFQ.
Các dòng TCP có tốc độ 2Mbps được phát đi, mỗi loại đưa lưu lượng vào cùng một giao diện ra của router có kết nối đường truyền ATM (với tốc độ 2Mbps). Đặt mức độ ƣu tiên cao (có tốc độ giới hạn theo Kbps) cho một hoặc nhiều dòng, và các dòng còn lại là best-effort (không bị giới hạn tốc độ).
Lưu lượng được phát đi từ trạm Tx, đích là trạm Rx có cấu hình tương ứng đầu xa (đường truyền ATM với tốc độ 2Mbps, không đặt CAR hay CB-WFQ ở đầu vào). Ta thay đổi số lƣợng của cả các dòng TCP ƣu tiên cao và TCP best- effort.
*Kết quả:
Bảng 3-3 Kết quả của các bài test CAR và WFQ với sô lƣợng khác nhau các dòng TCP ƣu tiên cao và TCP best-effort
Thông lƣợng tổng của các kết nối TCP ƣu tiên cao:
tốc độ CB-WFQ = 1300 Kbps, lưu lượng nền TCP background traffic
Số dòng TCP
ƣu tiên cao
Số dòng TCP
best- effort
Thông lƣợng tổng ƣu tiên cao
(Mbps)
Thông lƣợng tổng best-effort
(Mbps)
1 0 1,6 /
1 1 0,8 0,8
10 10 1,17 0,57
10 1 1,25 0,12
*Nhận xét: với lưu lượng nền TCP thì việc ưu tiên hoá lưu lượng TCP nhờ CAR và WFQ bắt đầu có tác dụng khi số lƣợng dòng TCP đủ lớn. Với chỉ một dòng TCP ƣu tiên cao thì ngay chỉ một dòng TCP best-effort cũng đủ ngăn chặn việc cách ly lưu lượng. Tuy nhiên, với trường hợp 10 dòng ưu tiên cao và 10 dòng best-effort thì với lượng tải cân bằng cho cả hai loại lưu lượng, CB-WFQ có thể làm tốt việc cung cấp cho lưu lượng ưu tiên cao nhiều tài nguyên hơn hẳn so với lưu lượng best-effort.
3.1.4 Bài đo WRED đối với đường truyền nghẽn nút cổ chai
*Mục đích:
Xác thực các chức năng WRED và hiểu đƣợc tác động của mỗi thông số WRED. Khi có hiện tƣợng tắc nghẽn, WRED phân chia dải thông cho các loại lưu lượng khác nhau, mỗi loại được xác định bằng một giá trị mức ưu tiên IP.
*Cấu hình đo:
Bài đo đƣợc thực hiện giữa CSELT và GARR. WRED đƣợc kích hoạt tại router ở CSELT: Cisco7500, IOS 12.0(5)XE3, VIP2-50, ATM Deluxe PA-A3- OC3
Hình 3-4 Cấu hình đo WRED đối với đường truyền nghẽn nút cổ chai
Dải thông khả dụng trong đường truyền nút cổ chai được chia ra làm hai nhóm.
Nhóm đầu tiên là các gói UDP, có thể sử dụng tới 25% dải thông khả dụng trên giao diện nhánh đầu ra ATM. Nhóm thứ hai chỉ bao gồm lưu lượng TCP, có khả năng dùng tới 75% tổng dải thông. Cơ chế CB-WFQ đƣợc sử dụng trên giao diện đầu ra để chia xẻ dải thông. Để có thể phân biệt giữa các luồng trong cùng nhóm TCP, dùng cơ chế WRED.
Lưu lượng TCP được hình thành từ ba loại khác nhau, mỗi loại được gán một giá trị mức ưu tiên IP riêng tại giao diện đầu vào. Mỗi loại lưu lượng lại được hình thành từ một số kết nối (3, 5, 10, 15, 20), mỗi kết nối là một hoạt động truyền file kích thước 100 kBytes. Dòng UDP hoạt động ở tốc độ không đổi 1,5 Mbps (với tải UDP là 576 bytes), được sử dụng như là lưu lượng nền. Tất cả các luồng đƣợc phát và đo nhờ dùng phần mềm Chariot. Hình 3-5 mô tả bài đo theo logic và mẫu lưu lượng.
Thời gian rtt từ máy trạm Tx đến Rx khoảng 8ms, dải thông UDP trung bình là 710 Kbps, còn dải thông TCP trung bình là 2270 Kbps. Những số liệu này đo đƣợc ở bên bộ thu. Sau đây ta chỉ xét đến dải thông TCP, coi 2270Kbps là 100%.
*Kết quả đo:
Trường hợp 1: mỗi loại TCP có cùng số lượng luồng, gọi là trường hợp “lưu lượng cân bằng”. Trường hợp này dùng để khảo sát ảnh hưởng của sự phân biệt dải thông giữa ba loại TCP trong khi thay đổi ngƣỡng tối thiểu. Trong tất cả các phép đo, ngƣỡng tối đa đƣợc đặt giá trị bằng 2 lần ngƣỡng tối thiểu, và xác suất rớt tối đa đƣợc đặt lần lƣợt là 10% (AF11 rớt ít), 20% (AF12 rớt trung bình), 50% (AF13 rớt nhiều) tuỳ theo tầm quan trọng của mỗi loại.
Hình 3-5 Mô tả bài đo theo logic và mẫu lưu lượng
Hình 3-6 trình bày kết quả chia xẻ dải thông khi ngƣỡng tối thiểu thay đổi. Sự phân biệt rõ nhất giữa các loại xảy ra trong khoảng giữa hai đường thẳng đứng.
Đối với những giá trị ngưỡng tối thiểu lớn hơn đường thẳng thứ hai, dải thông hội tụ về giá trị 33%, bởi vì đối với những giá trị lớn, cơ chế rớt chọn lọc không xảy ra.
Hình 3-6 Kết quả chia xẻ dải thông khi ngƣỡng tối thiểu thay đổi
Ghi chú: các giá trị tính theo băng thông tổng cộng của tất cả các PHB AFi
Hình 3-7 Phần dải thông PHB AF11 đạt đƣợc khi số lƣợng luồng của mỗi loại thay đổi
Số luồng TCP
Cân bằng Không cân bằng
Tăng số luồng cho PHB AF13 Tăng số luồng cho PHB AF12 Tăng số luồng cho PHB AF11
Trường hợp 2:một loại lưu lượng có số lượng luồng thay đổi từ 3 đến 20, trong khi đó hai loại còn lại có số luồng không đổi (3 luồng TCP cho mỗi loại).
Trường hợp này gọi là “lưu lượng không cân bằng”. Đối với các phép đo này, sử dụng ngƣỡng tối thiểu = 15 và ngƣỡng tối đa = 30, xác suất rớt tối đa giống nhƣ trường hợp 1. Nếu WRED không được kích hoạt, mỗi loại lưu lượng chiếm phần dải thông trực tiếp tỷ lệ với số luồng trong mỗi loại. Nếu WRED đƣợc kích hoạt thì cần phải tính đến các thông số khác. Một cách tương đối có thể coi rằng mỗi loại có phần dải thông tỷ lệ trực tiếp với số luồng trong loại đó và tỷ lệ nghịch với xác suất rớt quy định cho mỗi loại. (Giả định này là có thể vì tất cả các luồng có cùng một giá trị rtt). Hình 3-7 cho thấy kết quả phần dải thông PHB AF11 (loại lưu lượng có xác suất rớt thấp nhất) đạt được khi số lượng luồng của mỗi loại thay đổi. Ta nhận thấy rằng dải thông của PHB AF11 không bao giờ xuống dưới 20% của tổng dải thông ngay cả khi số luồng của loại lưu lượng có xác suất rớt trung bình lớn hơn 6 lần (20 so với 3) số luồng của loại lưu lượng có xác suất rớt thấp (PHB AF11).
*Nhận xét:
Khi dùng cơ chế WRED, các luồng có mức ƣu tiên cao hơn và đƣợc gán các xác suất rớt nhỏ hơn thì luôn đƣợc đảm bảo ƣu tiên về dải thông so với các luồng khác.
3.1.5 Bài đo so sánh WFQ và PQ khi hỗ trợ lưu lượng EF
Hình 3-8 Cấu hình đo so sánh WFQ và PQ khi hỗ trợ lưu lượng EF
*Mục đích:
So sánh các cơ chế WFQ và PQ về các thông số trễ một hướng (one-way delay) và ipdv khi sử dụng 8 hàng đợi WFQ.
*Cấu hình đo: nhƣ hình 3-8 Các thông số:
Kích thước khung EF (bao gồm byte mào đầu lớp 2): [64, 1518] byte Xếp lịch EF: WFQ và PQ
Tổng cộng tám hàng đợi, luôn đƣợc sử dụng.
Với PQ, một hàng đợi là hàng đợi ƣu tiên (EF), trong khi 7 hàng còn lại là hàng đợi WFQ, mỗi hàng ứng với một giá trị mức ƣu tiên cụ thể.
Trong trường hợp một hệ thống chỉ toàn WFQ, hàng đợi phù hợp với mức ưu tiên 7 đƣợc gọi là hàng đợi EF, với tốc độ phát lớn gấp 3 lần tốc độ nhận tối đa. 7 hàng đợi còn lại đƣợc xử lý phụ thuộc vào giá trị mức ƣu tiên của nó, và tốc độ phát bằng với tốc độ nhận.
Matching: dựa theo địa chỉ nguồn IP, đích IP, và theo cổng.
Chỉ tiêu của các dòng:
EF: tải có tốc độ không đổi 100 Kbps, kích thước gói thay đổi, dùng bộ phát SmartBits
Tốc độ nền > 2 Mbps trong mỗi chặng
BE (mức ưu tiên 0): lưu lượng BE được tạo ra bởi các gói vượt quá tốc độ đặt trước tại giao diện hướng vào (ingress).
Lưu lượng có mức ưu tiên 0 đến 7: UDP Các điều kiện của bài đo:
Tốc độ khống chế Xếp hàng ƣu tiên (PQ) = 300Kbps Dải thông EF WFQ = 300Kbps
PVC: dải thông 2 Mbps
*Kết quả:
PQ tối thiểu trễ khi so với WFQ;
Trƣợt EF với các hàng đợi PQ + 7 WFQ là không đổi (không thay đổi khi kích thước khung thay đổi)
Hình 3-9 trình bày kết quả trễ một hướng trung bình với PQ và WPQ trong trường hợp dùng 8 hàng đợi. Trễ với WPQ luôn luôn lớn hơn trường hợp tương ứng với PQ.
Hình 3-10 là kết quả đo ipdv, mô tả sự khác nhau về trượt trong trường hợp hệ thống WFQ 8 hàng đợi. Với PQ, giá trị trượt là không đổi khi thay đổi kích thước gói tin.
*Nhận xét:
Khi kết hợp PQ và WFQ, lưu lượng ưu tiên ở hàng đợi PQ luôn được đảm bảo trễ và trượt nhỏ nhất. Trễ của PQ tăng chậm khi kích thước gói tin tăng, còn trượt thì không đổi.
Hình 3-9 Trễ một hướng trung bình khi dùng các kích thước khung EF khác nhau, với PQ và WFQ (8 hàng đợi)
Trễmột hƣớng trung bình thay đổi theo kích thƣớc khung EF với WFQ (8 hàng đợi) và PQ (tải EF = 100Kbps, tốc độtới của EF = 300Kbps, kích thƣớc hàng đợi EF = 10 gói, hàng đợi tx = 5 phần, với nhiều dòng BE)
Trễmộthƣớng(đơnvịtrễ= 10,08 ms)
Kích thước khung EF (byte)
Hình 3-10 IPDV trung bình với PQ và WFQ (8 hàng đợi)
3.2 Áp dụng các bài đo Chất lƣợng dịch vụ có phân loại tiêu biểu vào mạng thực tế của Bưu điện thành phố Hồ Chí Minh
3.2.1 Mạng IP của Bưu điện thành phố Hồ Chí Minh
Đây là mạng IP mới đƣợc xây dựng. Mạng lõi là 03 Router Cisco 7609 hỗ trợ đa dịch vụ, đa giao thức, khả năng chuyển mạch cao, lên tới 256Gbps. Các router này cung cấp nhiều giao diện WAN khác nhau, từ DS0 đến STM 16; giao diện LAN từ FE đến GE, 10-GE. Kết nối đến mạng lõi là các bộ BRAS (broadband remote access server) CISCO 10000, có nhiệm vụ chuyển lưu lượng đến và từ các DSLAM (digital subscriber line access multiplexers) cho mạng của nhà cung cấp dịch vụ Internet VDC. Các switch Cisco ME4924 tập hợp lưu lượng từ các DSLAM và BRAS để chuyển lên mạng lõi.
Các thiết bị này đều hỗ trợ các tính năng QoS ở các mức độ khác nhau. Mạng lõi là các router hỗ trợ đầy đủ nhất, đặc biệt là diffserv QoS với các cơ chế QoS đã trình bày ở chương 2.
Để có thể kiểm tra các tình năng diffserv QoS của các thiết bị router mạng lõi, dựa trên các bài đo cơ bản đã trình bày ở phần trên, tôi đề xuất xây dựng một số bài đo cho mạng IP Bưu điện thành phố Hồ Chí Minh như sau.