Ngày nay chúng ta dùng mạng Internet hằng ngày, trong công việc, học tập cũng như giải trí. Hãy tưởng tượng chuyện gì sẽ sảy ra nếu bạn nhận một e-mail mà có những chữ cái bị mất đi hoặc gặp lỗi mà bạn không thể đọc được. Bạn sẽ không tin tưởng và sử dụng dịch vụ e-mail nữa, xa hơn những dịch vụ khác trên Internet, nếu chúng không đảm bảo về mặt chất lượng dịch vụ thì sẽ không có người nào dùng. Chính vì thế các nhà cung cấp dịch vụ phải đưa ra những giải pháp để đảm bảo chất lượng dịch vụ[10].
2.1.1. Chất lƣợng dịch vụ là gì ?
QoS (Quality of Service) là việc xác định toàn bộ chất lượng dịch vụ dựa trên những thông số chính nào đó. Ví dụ khi chúng ta thực hiện một cuộc gọi cho người khác, chúng ta mong đợi rằng cuộc nói chuyện đó sẽ rõ ràng không bị ồn bởi đường truyền, ổn định và không có trễ hoặc thông báo cho ta khi đường truyền đang bận. Chính vì vậy, toàn bộ hệ thống mạng đòi hỏi cần có QoS một cách thực sự có hiệu quả.
Chất lượng dịch vụ trên hệ thống truyền thông được hiểu là khả năng quản lý một cách thông minh lưu thông mạng để đảm bảo sự ổn định và khả năng dự báo trước tốc độ phục vụ của mạng. Cơ cấu QoS cho phép:
- Thiếp lập các ưu tiên về lưu lượng mạng.
- Quản lý băng thông có sẵn cho lưu thông trên mạng.
Ý tưởng về QoS xuất phát từ các giao thức mạng nguyên thuỷ, những giao thức xử lý tất cả các lưu thông trên mạng Internet hay trên mạng LAN theo cùng một cách. Nếu không có QoS, những kiểu lưu thông khác nhau là tương đương nhau, giống như việc sẽ cùng bị đứt đoạn nếu một đường liên kết bị vượt ngưỡng đáp ứng. Với QoS, các kiểu lưu thông khác nhau có thể có mức độ ưu tiên xử lý khác nhau.
2.1.2. Những lợi ích của QoS
Những năm gần đây, thế giới đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của tốc độ lưu thông mạng máy tính. Những nhà quản trị mạng phải đáp ứng sự tăng các nhu cầu bằng cách gia tăng dung lượng một cách liên tục. Tuy thế, các khách hàng sử dụng mạng thường vẫn không hài lòng về tốc độ thực hiện cuả mạng, việc tăng trưởng của những ứng dụng đa phương tiện ngốn tài nguyên sẽ làm trầm trọng thêm tình trạng này. Các cơ chế QoS cung cấp một tập các công cụ cho phép người quản trị mạng quản lý tài nguyên mạng một cách hiệu quả và trong tầm kiểm soát. Chúng sẽ có hiệu quả khi cung cấp những dịch vụ được cải thiện cho người sử dụng. Mặt khác QoS có
34
thể giúp cải thiện dịch vụ cho người sử dụng mạng trong khi vẫn giảm được giá thành cung cấp các dịch vụ đó. Theo truyền thống nếu một mạng làm việc không có QoS thì giải pháp để giải quyết các tắc nghẽn trong mạng đòi hỏi một lượng băng thông lớn. Điều này là không khả thi đối với các nhà cung cấp dịch vụ (IPS) và các nhà kinh doanh mạng khác về giá thành cũng như tính hiệu quả của nó. Vì thế yêu cầu phải cung cấp chất lượng dịch vụ QoS là rất cần thiết.
Bảng trạng thái dưới đây thể hiện một số vấn đề thường gặp đối với mạng không hỗ trợ QoS.
Bảng 2.1: Một số vấn đề gặp phải khi mạng không hỗ trợ QoS
Dạng lƣu lƣợng Vấn đề khi mạng không hỗ trợ Qos
Thoại
- Tiếng nói truyền trên mạng thường khó hiểu
- Bị ngắt quảng, âm thanh không trong suốt
- Trễ truyền làm các cuộc đối thoại khó khăn hơn, khi đầu dây bên này đã kết thúc nhưng đầu bên kia vẫn không hay biết
- Hoặc các cuộc gọi sẽ không kết nối được
Video
- Hình ảnh không ổn định
- Âm thanh không đồng bộ với hình ảnh
- Các hình động luôn bị “đóng băng” Dữ liệu (data) - Tốc độ truyền dữ liệu chậm
- Mất dữ liệu khi đang truyền
Sau đây là một vài ví dụ về lợi ích nhận được khi triển khai QoS :
Cải thiện tốc độ thực hiện với các ứng dụng “mission-critical” trên các liên kết WAN
Các ứng dụng như SAP hay PeopleSoft thường được sử dụng để cung cấp các dịch vụ “mission-critical” trên mạng intranet lớn (các dịch vụ trực tuyến). Những liên kết này đặc biệt dễ bị tắc nghẽn, kết quả là đáp ứng của ứng dụng trở nên chậm chạp hoặc các phiên làm việc bị timeout dẫn tới giá thành của dịch vụ tăng. QoS cho phép những nhà quản trị mạng được ưu tiên các lưu thông như thế, làm cho chúng trở thành miễn dịch với các tắc nghẽn trên các đường liên kết WAN. Biện pháp QoS tương tự như việc cung cấp các làn đượng vận chuyển trên xa lộ xe buýt. Các lưu thông “mission- critical” được hướng thẳng đến các “làn đường” này.
35
Điều khiển việc tranh chấp của các lưu thông Đa phương tiện trên mạng. Các ứng dụng định luồng đa phương tiện như Windows MediaTM
Technologies, phần mềm hội thảo NetMeeting®, RealAudio và các ứng dụng dựa trân TAPI 3.0 đang ngày càng phổ biến với người sử dụng mạng. Chúng thường tạo ra các khối lượng lớn các lưu thông UDP. Những lưu thông này không phù hợp với mạng lưới với nghĩa là chúng không có khả năng tự xử lý khi đối mặt với vấn đề tắc ngẽn mạng. Vì những tranh chấp tài nguyên mạng tiềm tàng của dạng lưu thông này, người quản trị mạng sẽ bị giới hạn khả năng triển khai các ứng dụng đa phương tiện trên mạng của họ. Cơ chế QoS cho phép người quản trị mạng có thể điều khiển các tranh chấp của các ứng dụng đó.
Cho phép Đa phương tiện
Trong trường hợp kể trên, chúng ta đã đề cập đến việc điều khiển các tranh chấp của các ứng dụng định luồng đa phương tiện mà không quan tâm đến dịch vị cung cấp thực sự các ứng dụng đa phương tiện. QoS có thể được áp dụng để duy trì thực sự một chất lượng dịch vụ cụ thể cho một ứng dụng đa phương tiện nào đó. QoS trong trường hợp này cho phép sự hội tụ thực sự giữa đa phương tiện và các mạng dữ liệu. Lợi ích của sự hội tụ như thế bao gồm mạng điện thoại IP có chất lượng chấp nhận được với sự tiếp kiệm chi phí tương xứng.
2.2. Các đặc tính QoS
Mặc dù chất lượng dịch vụ QoS chưa phải là giải pháp toàn vẹn nhưng nó ra đời nhằm giải quyết các vấn đề về lưu lượng và chất lượng mạng. Chất lượng dịch vụ thường được đánh giá bằng các thông số sau:
- Băng thông
- Độ trễ
- Độ rung pha
- Khả năng mất gói
2.2.1. Băng thông (bandwidth)
Băng thông là tỉ lệ bit trên mỗi giây để phân phối dữ liệu đi trong mạng. Trong một số trường hợp, băng thông còn được hiểu là tốc độ đường kết nối vật lý hay là xung đồng hồ (clock rate) của mỗi giao diện mạng. Ví dụ như các kết nối điểm - điểm trong mạng WAN thì băng thông 64kbps chính là tốc độ của đường kết nối vật lý. Nhưng đối với các kết nối trong mạng Frame relay hay ATM thì băng thông là tốc độ cam kết (CIR) giữa nhà cung cấp dịch vụ với khách hàng, băng thông này có thể lớn hơn tốc độ cam kết khi lưu lượng trong mạng cho phép.
36
2.2.2. Độ trễ (delay)
Các mạng hiện nay thường tồn tại các loại trễ sau đây:
Trễ môi trƣờng truyền (propagation): là thời gian để chuyển gói đi, thời gian
này thường phụ thuộc vào băng thông của giao tiếp
Trễ xử lý và xếp hàng: đây là hai loại trễ tồn tại trong mỗi router
Trễ xử lý: là thời gian để một router lấy gói tin từ interface vào và đặt
nó vào hàng đợi. Độ trễ sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Tốc độ xử lý của CPU.
- Khả năng xử dụng của CPU.
- Mode chuyển mạch IP được sử dụng.
- Cấu trúc của router.
- Các đặc tính cấu hình trên các giao tiếp vào/ra.
Trễ xếp hàng: khoảng thời gian gói nằm trên hàng đợi của router. Thời
gian này phụ thuộc vào số lượng cũng như kích thước của các gói đang có trên hàng đợi và trên băng thông của interface. Đồng thời thông số này cũng phụ thuộc vào cơ chế xếp hàng gói tin.
2.2.3. Độ trƣợt (Jitter)
Khái niệm độ trượt và độ trễ thường liên quan đến nhau. Một gói tin trong mạng với các thành phần độ trễ thay đổi thì luôn tồn tại độ trượt. Vậy khi độ trượt xảy ra thì có làm giảm đến chất lượng dịch vụ hay không?. Đối với các ứng dụng dữ liệu thì độ trượt không làm giảm chất lượng là bao nhưng một số dạng lưu lượng khác như thoại được số hóa đòi hỏi các gói tin phải được truyền nhất quán tức là khoảng cách giữa các gói tin là đồng bộ. Dạng lưu lượng này còn gọi là lưu lượng đẳng thời (isochronous traffic). Dưới đây là một ví dụ để thấy rõ hơn về độ trượt.
37
Xét 3 gói tin thoại đi từ máy 201 đến 301, thời gian truyền của mỗi gói tin là 20ms. Nhưng khi đi đến máy 301 thì gói tin thứ 3 thời gian truyền đã tăng lên 30ms, vậy 10ms chính là độ trượt của gói.
2.2.4. Mất gói (loss)
Mất gói là một thông số quan trọng trong chất lượng dịch vụ, khi tỉ lệ mất gói xảy ra trong mạng quá lớn thì cần phải có biện pháp để khắc phục. Ví dụ như trường sửa lỗi FCS (Frame Check Sequence) sẽ kiểm tra các khung bị lỗi khi truyền trong mạng. Các công cụ của QoS có thể làm giảm mất gói tin khi các hàng đợi quá đầy.
Ở các mạng hiện nay, số các gói tin bị mất do tỉ lệ lỗi bit là rất ít (tỉ lệ bit lỗi BER 10-9 là có thể chấp nhận) đa số các gói tin bị mất là do bộ đệm và các hàng đợi quá tải. Do đó việc khắc phục tình trạng mất gói trong mạng là cần thiết.
Hình 2.2: Mất gói trong mạng
2.2.5. Hoạt động của QoS
Các ứng dụng tạo ra lưu thông với một loạt các tốc độ và thường yêu cầu các mạng có thể truyền dẫn các lưu thông với tốc độ mà chúng tạo ra. Hơn nữa, các ứng dụng có thể là thích ứng hoặc kém thích ứng với sự trễ lưu thông trên mạng cũng như sự biến đổi của độ trễ đó. Một ứng dụng nào đó có thể thích ứng được với một vài mất mát lưu thông, trong khi đó số khác lại không. Nếu tài nguyên mạng là vô hạn, toàn bộ các lưu thông của tất cả các ứng dụng có thể được truyền tại tốc độ mà ứng dụng yêu cầu, không trễ, không mất gói tin. Tuy nhiên, tài nguyên mạng lại chỉ có hạn. Kết quả là tồn tại những khu vực trên mạng mà tại đó tài nguyên không thể đáp ứng được nhu cầu. Các mạng được xây dựng bằng cách kết nối các thiết bị mạng như các chuyển mạch và định tuyến. Chúng chuyển tiếp các lưu thông qua chúng bằng cách sử dụng các giao diện. Nếu tốc độ một lưu thông đến tại một giao diện vượt quá tốc độ mà giao diện đó có thể chuyển tiếp đến thiết bị tiếp theo, sự tắc nghẽn sẽ xẩy ra. Vì thế, dung lượng của một giao diện chuyển tiếp lưu thông là một tài nguyên mạng cơ bản. Cơ chế QoS làm
IP Forwarding IP IP Tail-drop IP IP
38
việc bằng cách phân phối tài nguyên đó ưu tiên một lưu thông nào đó hơn các lưu thông khác.
Để làm được điều này, nó trước hết cần phải định danh các lưu thông khác nhau. Lưu thông đến các thiết bị mạng được chia thành các luồng (flow) thông qua quá trình phân loại gói tin. Lưu thông từ mỗi luồng sau đó được dẫn đến các hàng đợi tương ứng trên giao diện chuyển tiếp. Các hàng đợi trên mỗi giao diện được phục vụ theo một vài thuật toán. Thuật toán phục vụ hàng đợi quyết định tốc độ lưu thông trên mỗi hàng đợi được chuyển tiếp đi, bằng cách đó sẽ quyết định tài nguyên phân phối cho mỗi hàng đợi và cho các luồng tương ứng. Vì vậy, để cung cấp QoS mạng, cần phải cung cấp hoặc định nghĩa các thiết bị mạng như sau :
- Thông tin phân loại nhờ các thiết bị đã phân chia lưu thông vào các luồng.
- Các hàng đợi và các thuật toán phục vụ hàng đợi sẽ xử lý lưu thông từ các luồng phân biệt.
Ta gọi chung cả hai là cơ chế xử lý lưu thông. Nếu để riêng rẽ, các Cơ chế xử lý lưu thông không có ý nghĩa thực tiễn. Chúng cần phải được cung cấp và thiết lập qua nhiều thiết bị trong một cách kết hợp cung cấp các dịch vụ điểm-điểm thực tế trên mạng. Vì vậy, để cung cấp được các dịch vụ thực tế, cần cả các Cơ chế Xử lý lưu thông lẫn các Cơ chế cung cấp và thiết lập chúng[2].
2.3. Các công nghệ QoS
Phần này sẽ giới thiệu các cơ cấu xử lý lưu thông và các cơ chế cung cấp và thiết lập quan trọng được sử dụng để cung cấp QoS.
2.3.1. Cơ chế Xử lý Lƣu thông
Có nhiều cơ chế xử lý lưu thông đang tồn tại. Phần này sẽ tập trung vào một vài cơ chế cơ bản, bao gồm differentiated services (diffserv), 802.1p, integrated services (intserv),
ATM, và ISSLOW. Chú ý rằng các cơ chế xử lý lưu thông có thể được phân thành các cơ chế tầng-giao-tiếp và các cơ chế kết hợp. Các cơ chế tầng-giao-tiếp thao tác mỗi một luồng lưu thông một cách riêng rẽ trong khi các cơ chế kết hợp nhóm nhiều luồng lưu thông vào một lớp kết hợp đơn. Sự khác biệt cũng tương tự như việc xử lý các hành khách đi máy bay. Theo chuẩn, các hành được “đánh dấu” là hạng nhất, hạng thương gia hay hạng thường. Tất cả các hành khách ở cùng một hạng sẽ được sử lý giống nhau. Đó là xử lý kết hợp. Xử lý tầng-giao-tiếp tương tự như cung cấp máy bay riêng cho từng hành khách – sang trọng nhưng đắt đỏ.
39
Differentiated Services (Diffserv)
Diffserv là một cơ chế xử lý lưu thông kiểu kết hợp, phù hợp cho việc sử dụng trong một mạng định tuyến lớn. Những mạng này lưu chuyển hàng ngàn giao dịch. Vì thế chúng không thích hợp với xử lý lưu thông dựa trên tầng-giao-tiếp. Diffserv định nghĩa một trường trong mào đầu IP, được gọi là điểm mã hoá diffserv (Difserv Codepoint - DSCP). Các máy chủ và các định tuyến gửi lưu thông vào mạng sử dụng difserv sẽ đánh dấu lên mỗi gói tin truyền đi một giá trị DSCP. Các định tuyến trong mạng diffserv sử dụng DSCP để phân loại các gói tin và áp dụng phương pháp xếp hàng cụ thể dựa vào kết quả phân loại. Lưu thông từ nhiều luồng có yêu cầu QoS tương tự sẽ được đánh dấu bằng cùng một giá trị DSCP, sau đó được kết hợp các luồng vào cùng một hàng đợi chung hay phương pháp định thời chung.
802.1p
802.1p là một cơ chế xử lý lưu thông kiểu kết hợp phù hợp với nhiều mạng cục bộ LAN. Nó định nghĩa một trường trong mào đầu truy nhập môi trường truyền (Media Access - MAC) của gói tin Ethernet, trong đó có thể lưu trữ 1 trong 8 mức ưu tiên. Các máy chủ và định tuyến đánh dấu mỗi gói tin truyền đi bằng một giá trị ưu tiên thích hợp. Các thiết bị mạng LAN, như chuyển mạch, cầu, hay hub sẽ xử lý các gói tin tương ứng với giá trị ưu tiên đó, phạm vi giá trị ưu tiên giới hạn trong mạng LAN.
Intergrated Services (Intserv)
Intserv là một khuôn khổ để định nghĩa các dịch vụ. Như thế, nó bao hàm một tập cơ chế xử lý lưu thông hoạt động dưới nền. Các dịch vụ Intserv về mặt chuẩn thường được áp dụng cho các cơ sở tầng-giao-tiếp. Intserv thường được kết hợp với giao thức tín hiệu RSVP, tuy nhiên không phải là bắt buộc.
ATM, ISSLOW và các cơ chế khác
ATM là một công nghệ lớp liên kết cung cấp việc xử lý lưu thông chất lượng cao.