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. ATM chia các gói tin vào các ô (cell) lớp liên kết, chúng sau đó sẽ được xếp hàng và phục vụ sử dụng thuật toán phục vụ hàng đợi tương tự
ISSLOW là một kỹ thuật phân mảnh chia các gói tin IP khi chúng được truyền qua các liên kết tốc độ chậm như các modem quay số. Khi tín hiệu audio và dữ liệu đuợc kết hợp trên các liên kết này, độ trễ của có thể có ý nghĩa, làm giảm tính khả dụng của ứng dụng. ISSLOW có thể được sử dụng để giảm độ trễ audio trong các ứng dụng này. Các cơ chế xử lý lưu thông được định nghĩa cho một vài dạng đường truyền, bao gồm các modem cáp, cáp đồng trục quang kết hợp (HFC), P134, v..v... Chúng có thể sử dụng các cơ chế tín hiệu lớp liên kết như ATM chẳng hạn.
40
2.3.2. Các cơ chế cung cấp và thiết lập
Để đạt được hiệu quả việc cung cấp QoS mạng, cần thiết phải cung cấp và thiết lập một cách hiệu quả các cơ chế xử lý lưu lượng được mô tả trên đây, thông qua nhiều thiết bị mạng. Các cơ chế cung cấp và thiết lập có thể được chia thành loại trên-xuống và tín hiệu.
Cung cấp trên-xuống
Trong cơ chế Cung cấp trên-xuống, một hệ thống quản trị mạng được sử dụng để đẩy các thiết lập xử lý lưu thông vào các thiết bị mạng. Về mặt chính tắc, các cơ chế xếp hàng được thiết lập trên các giao diện thiết bị. Sau đó các luật phân loại được thiết lập để quyết định các gói tin nào được chuyển thẳng đến các hàng đợi khác nhau trong thiết bị. Các luật phân loại có thể phân loại các gói tin dựa vào bộ 5 giá trị định danh của IP (IP 5-tuple - địa chỉ và cổng IP nguồn và đích và giao thức IP). Các 5-tuple được đặt mặt nạ được sử dụng. Luật phân loại có thể đặc tả chỉ một tập con của IP- tuple, như kiểu “tất cả các gói tin có địa chỉ IP nguồn là 2.2.2.X” ở đây “X” có thể là bất cứ giá trị nào. Nếu DSCP hoặc 802.1p được sử dụng như luật phân loại gói tin thì cần thiết phải “đánh dấu” các dấu DSCP hoặc 802.1p trong các gói tin tại một vài nơi tải lên của thiết bị phân loại. Điều này có thể thực hiện bởi các máy chủ hoặc các thiết bị mạng nằm gần sườn của mạng. Trong các trường hợp sau, việc các thiết bị mạng đánh dấu sẽ được thiết lập để việc đánh dấu dựa vào luật phân loại của giá trị 5-tuple của chính chúng (hoặc một vài tập con của chúng).
Những thách thức của cung cấp trên-xuống: việc quyết định luật phân loại tương ứng để sử dụng có thể là một thách thức. Những người quản trị mạng muốn sử dụng QoS để gắn tài nguyên cho lưu thông của một ứng dụng hay người sử dụng cụ thể chứ không phải các trường trong các mào đầu gói tin như địa chỉ hay cổng IP. Các hệ thống Cung cấp trên-xuống cố gắng hỗ trợ người quản trị bằng cách tạo các ràng buộc giữa các ứng dụng và các cổng IP và giữa người sử dụng và địa chỉ IP. Thật không may, chúng thường không đáng tin cậy. Các ứng dụng có thể sử dụng các cổng chuyển tiếp hoặc có thể tạo ra nhiều luồng lưu thông (yêu cầu QoS khác nhau) trên cùng một cổng. Các địa chỉ IP của người sử dụng có thể thay đổi do sử dụng DHCP. Các máy phụ vụ cho nhiều người sử dụng có thể sử dụng cung một địa chỉ IP cho nhiều người sử dụng. Việc mã hóa IPSec có thể mã hóa các cổng IP, làm cho chúng không thể sử dụng cho các luật phân loại.
Một thách thức thêm nữa trong cung cấp trên-xuống là sự tiên đoán trước các dung lượng lưu thông tại một loạt các nút trong mạng. Ví dụ, một hệ thống quản lý có thể được sử dụng để thiết lập một hàng đợi độ trễ thấp tại mỗi thiết bị mạng, với khả năng xử lý 10 phiên làm việc điện thoại IP đồng thời với một vài độ trễ ràng buộc. Luật phân loại sau đó được thiết lập tại mỗi một thiết bị để hướng thẳng lưu lượng điện
41
thoại đến các hàng đợi có độ trễ thấp. Điều này kéo dài trong 10 phiên làm việc. Tuy nhiên, nếu phiên thứ 11 được thiết lập đi qua một trong những thiết bị đã được thiết lập, nó sẽ gây tắc nghẽn một hàng đợi độ trễ thấp, gây ra một độ trễ lớn hơn ràng buộc thiết lập. Kết quả là dịch vụ sẽ bao gồm không chỉ phiên thứ 11 mà cả 10 phiên đang tồn tại.
RSVP Signaling như một cơ chế thiết lập
RSVP Signaling có thể được sử dụng để bổ xung cho các cơ chế cung cấp trên-xuống. Trong trường hợp này, các máy chủ phát ra các thông điệp tín hiệu (signaling message) mô tả lưu lượng tổng dữ liệu tích hợp với một giao dịch cụ thể. Các thông điệp này đi theo cùng một tuyến với lưu thông dữ liệu trên mạng. Các thông điệp RSVP cung cấp các thông tin sau cho mạng :
Tôi là cái gì – Ứng dụng gốc và tiểu luồng (như luồng in là một giao dịch
không đòi hỏi thời gian)
Tôi là ai - Định danh đã được xác thực của người sử dụng.
Tôi muốn gì - Kiểu dịch vụ QoS cần.
Tôi muốn bao nhiêu – Các ứng dụng cụ thể định luợng yêu cầu tài nguyên của
nó.
Tôi có thể đƣợc nhận ra bằng cách nào – Luật phân loại 5-tuple, cái mà nhờ
nó lưu thông dữ liệu có thể được nhận ra.
Những tài nguyên thiết bị mạng sẽ bị tác động bởi lưu thông dữ liệu kết hợp.
Những tín hiệu dựa vào máy chủ như thế mang lại những lợi ích có ý nghĩa cho các hệ thống quản trị QoS. Một lợi ích rõ ràng của tín hiệu dựa trên máy chủ là nó cung cấp những ràng buộc chặt chẽ giữa các thông tin phân loại và người sử dụng cũng như các ứng dụng. Dựa vào đó, tín hiệu dựa vào máy chủ mang lại việc điều khiển thu nạp động không phụ thuộc vào kiến trúc. Chức năng này là chìa khóa để giải quyết “phiên điện thoại thứ 11” mô tả ở trên. RSVP signaling chuyển một thông điệp quan tâm đến các tài nguyên yêu cầu đến các thiết bị dọc theo tuyến dữ liệu. Vì thế, các thiết bị cung cấp RSVP có thể đánh giá động tác động mà lưu thông dữ liệu tích hợp với nó có thể có tài nguyên của nó và cảnh báo các thiết bị tải lên khi chúng không có tài nguyên để giải quyết thêm các luồng lưu thông. Trong trường hợp “phiên điện thoại thứ 11”, thiết bị mạng sẽ từ chối sự thu nạp luồng lưu thông thứ 11 vào hàng đợi có độ trễ thấp, vì thế sẽ bảo vệ 10 phiên làm việc đang tồn tại. Điều quan trong là phải chú ý rằng sự phát tín hiệu dựa vào máy chủ sẽ không phá vỡ sự điều khiển của người quản trị mạng trên tài nguyên mạng. Nó chỉ đơn thuần cung cấp cho mạng những thông tin có thể được sử dụng để đơn giản hóa việc quản lý tài nguyên mạng.
42
2.3.3. Chất lƣợng
Lưu thông điện thoại được đặc trưng hóa bằng nhu cầu. Nó có các yêu cầu có thể định lượng và giá trị của chúng phụ thuộc vào độ nghiêm ngặt mà các yêu cầu đó cần phải thỏa mãn. Các đảm bảo chất lượng cao về mặt chính tắc được yêu cầu bởi các ứng dụng đa phương tiện. Không phải tất cả các ứng dụng đều yêu cầu sự bảo đảm chất lượng cao. Ví dụ, các giao dịch cơ sở dữ liệu khách/chủ không thể định lượng chính xác yêu cầu tài nguyên của chúng và như thế, không thể trông chờ những bảo đảm có thể định lượng. Những ứng dụng này có thể tạo được lợi ích từ những bảo đảm chất lượng thấp hơn mà nó hứa hẹn giảm độ trễ mà không cung cấp ràng buộc độ trễ nghiêm ngặt.
Một cách cung cấp các bảo đảm chất lượng cao là cung cấp vượt một số lượng đáng kể yêu cầu trên mạng. Ví dụ, nếu các thiết bị mạng được mô tả trong ví dụ về điện thoại IP được cung cấp để hỗ trợ toàn bộ các phiên làm việc tiềm tàng, vấn đề “phiên điện thoại thứ 11” có thể được bỏ qua. Tuy nhiên, nếu có 1000 phiên làm việc tiềm tàng nhưng trung bình chỉ có 10 phiên đồng thời, sẽ cần thiết phải cung ứng vượt mức thiết bị mạng, vào khoảng 100 để hỗ trợ sự bảo đảm chất lượng cao. Điều này rõ ràng là sự sử dụng không hiệu quả nguồn tài nguyên mạng. Về mặt tổng quát, không thể tồn tại đồng thời cả khả năng cung cấp bảo đảm chất lượng cao của mạng lẫn tính hiệu quả của những nguồn tài nguyên mạng có thể sử dụng. Ta nói rằng một mạng có thể được đặc trưng bằng thuộc tính sản phẩm hiệu quả hoặc chất lượng (quality/efficiency product - QE product). Cung cấp các bảo đảm chất lượng cao hơn sẽ yêu cầu một sự thỏa hiệp giữa tính hiệu quả và ngược lại.
Một cơ chế thay thế cung cấp sự bảo đảm chất lượng cao là triển khai RSVP signaling, như đã mô tả ở trên. Bằng cách sử dụng RSVP signaling, các thiết bị có thể được cung cấp cho các tải trọng dự tính trung bình. Trong trường hợp không may là tải trọng vượt quá sự dự đoán, các phiên thêm sẽ bị từ chối, nhưng tính toàn vẹn của bảo đảm chất lượng cung cấp cho các phiên đang tồn tại sẽ được duy trì. Hiệu quả là, bằng cách triển khai RSVP signaling, ta có thể tạo ra QE product của mạng, cung cấp đồng thời sử bảo đảm chất lượng cao và sử dụng tài nguyên mạng hiệu quả hơn. Nhìn chung, cơ chế QoS càng tinh vi thì càng tạo ra thêm QE product của mạng cụ thể. Điều này có vẻ sẽ kéo theo việc tất cả các thiết bị mạng nên được triển khai những cơ chế QoS tinh vi nhất có thể. Tuy nhiên, các cơ chế QoS thường được cung cấp với giá thành rất đắt, chủ yếu là chi phí cho chính bản thân cơ chế QoS.
2.4. Chất lƣợng dịch vụ trong MPLS
Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng. Kỹ thuật lưu lượng là thao tác trên lưu lượng để phù hợp với mạng. Dù có cố gắng đến đâu thì lưu
43
lượng mạng cũng không bao giờ được đáp ứng hoàn toàn (100%) so với dự tính. Giữa thập niên 90 sự tăng trưởng lưu lượng vượt quá mọi dự tính và không thể nâng cấp mạng kịp thời được. Đôi khi một sự kiện nổi bật (sự kiện thể thao, vụ bê bối chính trị, một trang web phổ biến,…) làm đầy lưu lượng trên mạng, điều này không thể tính toán trước được. Do đó có thể tại một nơi nhu cầu băng thông quá nhiều nhưng đồng thời có các đường liên kết khác chưa được sử dụng. Kỹ thuật lưu lượng là một “nghệ thuật” chuyển lưu lượng từ các liên kết bị đầy sang các liên kết rỗi. Kỹ thuật lưu lượng có thể được bổ sung: IP metric trên giao tiếp, chạy một mắt lưới ATM PVC và xác định lại đường PVC dựa trên yêu cầu về lưu lượng đi qua nó. Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS nhằm đạt đến kỹ thuật điều khiển lưu lượng hướng kết nối tốt nhất và kết hợp với định tuyến IP.
2.4.1. Kỹ thuật lƣu lƣợng trƣớc MPLS
Ta sẽ xem xét các kỹ thuật lưu lượng của IP và ATM:
Kỹ thuật lưu lượng IP thì phổ biến nhưng chất lượng khá kém. Cách điều khiển chủ yếu của IP là thay đổi chi phí trên một liên kết cụ thể. Việc điều khiển lưu lượng chỉ dựa trên một con đường nó sẽ đi tới – không hợp lý. Ngược lại, ATM để bạn thay thế các PVC trên mạng từ nguồn đến đích của sự lưu thông. Nghĩa là đạt được quyền điều khiển tốt hơn trên các luồng lưu lượng. Vài nhà cung cấp dịch vụ (ISP) lớn trên thế giới sử dụng ATM để quản lý lưu lượng trên mạng của họ bằng cách xây dựng mạng lưới đầy đủ các ATM PVC giữa một tập các router, tái định kích thước và vị trí các ATM PVC đó một cách định kỳ dựa trên thông tin lưu lượng do các router cung cấp.
2.4.2. Kỹ thuật lƣu lƣợng với MPLS
Có ba điểm khác biệt về kỹ thuật lưu lượng giữa ATM và MPLS:
- MPLS TE chuyển tiếp gói; ATM sử dụng tế bào.
- ATM yêu cầu mạng lưới đầy đủ các tuyến lân cận; MPLS không cần.
- Trong ATM, công nghệ lõi không thể thấy các router trên biên của mạng; MPLS thấy được nhờ các giao thức định tuyến IP quảng cáo thông tin của nó.
MPLS TE kết hợp khả năng điều khiển lưu lượng của ATM với sự mềm dẻo của IP và sự khác nhau của các lớp dịch vụ. MPLS cho phép xây dựng các con đường chuyển nhãn (LSP - Label Switch Path) trong mạng để giảm lưu lượng chuyển tiếp. MPLS TE (có thể gọi là đường hầm điều khiển lưu lượng - TE Tunnel) dùng một đường hầm TE điều khiển lưu lượng trên đường đến một đích cụ thể. Phương pháp này mềm dẻo hơn