2.4.1. Giải pháp QoS trên mạng lõi
Mạng lõi chuyển tải IP cho mạng FMC có thể là mạng lớn và cấu trúc tương tự như mạng Internet. Mạng Internet hiện nay là tập hợp của các AS, mỗi AS có thể coi là một miền mạng dưới sự quản trị của một nhà quản trị riêng (còn gọi là domain). Do các tính chất của các giao dịch trong một AS và giữa các AS khác nhau nên trên Internet hình thành một cách tự nhiên cấu trúc phân cấp gồm hai cấp, nội miền (intra-domain) và liên miền (inter-domain). Hình 2-5 dưới đây thể hiện mô hình QoS nội miền và liên miền, [8], [3].
Hình 2-5. Mô hình QoS nội miền và liên miền
Các giải pháp, đề xuất liên quan đến vấn đề QoS của mạng IP thường phải giải quyết cả 2 vấn đề QoS nội miền và liên miền. IP và mạng Internet là trọng tâm trong các nghiên cứu của tổ chức IETF, E2E QoS trong mạng IP nội miền và liên miền được IETF đưa ra trong 2 kiến trúc dịch vụ tích hợp (Integrated Services hay IntServ) và dịch vụ phân biệt (Differentiated Services hay DiffServ) tương ứng.
2.4.1.1. Dịch vụ tích hợp - Intserv
Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng trong việc cung cấp dịch vụ thời gian thực (thoại, video, dữ liệu đồng thời…) và băng thông cao (đa phương tiện) dịch vụ tích hợp Intserv đã ra đời nhằm cung cấp tối đa dịch vụ truyền thống và các dịch vụ thời gian thực, [8]. Hình 2-6 dưới đây mô tả mô hình dịch vụ IntServ:
Hình 2-6. Mô hình dịch vụ IntServ
Tổng quan của phương pháp này là cung cấp mô hình dịch vụ cho Internet, liên quan tới mô hình truyền thống dựa trên dịch vụ tốt nhất và lớp Internet IP. Giải pháp này yêu cầu router QoS phải lưu thông tin của tài nguyên còn lại (dung lượng của liên kết, không gian bộ đệm, khả năng tính toán của bộ chuyển tiếp…) sau cấp phát cho một luồng. Để thực hiện được điều này router
phải xác định và lưu trữ thông tin của luồng và đòi hỏi có sự thay đổi trong mô hình Internet (trạng thái mạng chỉ được lưu trữ ở đầu cuối).
Mục đích của mô hình này là áp dụng cho cả luồng từ nguồn cho tới đích, luồng này yêu cầu phải được bảm bảo QoS. Trạng thái được cấu hình động trong suốt quá trình thiết lập tuyến đường. Hoạt động này đòi hỏi phải có cơ chế điều khiển việc chấp nhận luồng và giao thức báo hiệu (giao thức dành trước tài nguyên RSVP). 4 dịch vụ được định nghĩa trong mô hình dịch vụ IntServ:
Dịch vụ đảm bảo (GS): áp dụng cho các dịch vụ với độ trễ của dịch vụ
được xác định trước.
Dịch vụ đảm bảo điều khiển tải (CLS): áp dụng cho các dịch vụ với độ
trễ của dịch vụ với đặc điểm thống kê.
Dịch vụ chia sẻ liên kết: là dịch vụ phân cấp chia sẻ
Dịch vụ nỗ lực tối đa (Best Effort).
Hình 2-7 dưới đây mô tả mô hình IntServ sử dụng giao thức RSVP:
Điều khiển luồng
Tác nhân định tuyến
Bảng định tuyến
Tác nhân thiết lập
dành riêng Tác nhân quản lí
Điều khiển chấp nhận
Cơ sở dữ liệu điều khiển lưu lượng
Thiết bị đầu vào Bộ phân loại Bộ lập lịch
Đầu ra hàng đợi luồng Resv luồng Resv RSVP Hình 2-7. Mô hình IntServ sử dụng RSVP
Trong mô hình này có một số thành phần tham gia như:
Giao thức thiết lập: Setup cho phép các máy chủ và các bộ định tuyến dự
trữ động tài nguyên trong mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng riêng, RSVP, Q.2931 là một trong những giao thức đó.
Đặc tính luồng: xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho luồng
riêng biệt. Luồng được định nghĩa như một luồng các gói từ nguồn đến đích có cùng yêu cầu về QoS. Về nguyên tắc, có thể hiểu đặc tính luồng
như băng tần tối thiểu mà mạng bắt buộc phải cung cấp để đảm bảo QoS cho luồng yêu cầu.
Điều khiển lưu lượng: trong các thiết bị mạng (máy chủ, bộ định tuyến,
chuyển mạch) có thành phần điều khiển và quản lý tài nguyên mạng cần thiết để hỗ trợ QoS theo yêu cầu. Thành phần điều khiển lưu lượng bao gồm:
o Điều khiển chấp nhận: xác định thiết bị mạng có khả năng hỗ trợ
QoS theo yêu cầu hay không.
o Thiết bị phân loại: nhận dạng và lựa chọn lớp dịch vụ dựa trên nội
dung của một số trường nhất định trong mào đầu gói.
o Thiết bị lập lịch: cung cấp các mức chất lượng dịch vụ QoS trên
kênh ra của thiết bị mạng.
Mỗi node mạng (router) được chia làm hai phần: xử lý cơ bản và chuyển tiếp lưu lượng.
o Xử lý cơ bản: đảm nhận các chức năng như định tuyến, thiết lập và
duy trì tài nguyên mạng và điều khiển quản lí.
o Xử lý trong chuyển tiếp lưu lượng: dựa trên thông tin trong cơ sở
dữ liệu để phân loại lưu lượng và đưa lưu lượng vào hàng đợi.
Giao thức dành trƣớc tài nguyên (RSVP):
Để đảm bảo yêu cầu về chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng cụ thể, tài nguyên của mạng phải được đăng ký, được mạng chấp nhận và cung cấp trước khi kết nối được thiết lập và thực hiện việc trao đổi số liệu của ứng dụng. Việc đăng ký trước tài nguyên mạng được thực hiện trên cơ sở giao thức dành tài nguyên (Resource Reservation Protocol – RSVP), được thể hiện trên Hình 2-8.
S R1 R2 R3 Rx RSVP Resv Path Path Resv Path Resv Path Resv Hình 2-8. Giao thức RSVP
RSVP là giao thức chuẩn (RFC 2205) Internet IETF, cho phép các ứng dụng dự trữ băng thông mạng một cách linh động, RSVP cũng cho phép các ứng dụng yêu cầu một QoS cụ thể đối với mỗi luồng dữ liệu. Giao thức RSVP cho phép:
Thiết bị đầu cuối nguồn xác định tuyến đường đến thiết bị đầu cuối đích
và đưa ra yêu cầu về chất lượng dịch vụ luồng số liệu của mình thông qua thông báo PATH.
Trên cơ sở kết quả định tuyến ở trên, thiết bị đầu cuối đích thực hiện đăng
ký tài nguyên mạng cần thiết bằng thông báo RESV tại các hệ định tuyến dọc đường chuyển tiếp để đảm bảo các yêu cầu về lưu lượng trong quá trình trao đổi số liệu.
Hình 2-9 thể hiện cơ chế làm việc của RSVP.
Thiết bị đầu cuối nguồn Thiết bị đầu cuối đích Quản lý chính sách Điều khiển truy nhập Tiến trình RSVP Bảng định tuyến
Phân loại gói số liệu Lập lịch phát gói số liệu Quản lý chính sách Điều khiển truy nhập Tiến trình RSVP Bảng định tuyến
Phân loại gói số liệu
Lập lịch phát gói số liệu Hƣớng đăng ký
RESV
Hình 2-9. Cơ chế làm việc của RSVP
Thông điệp Resv mang tham số dịch vụ. Thông điệp Path bắt đầu từ nguồn và được gửi tới đích. Mục đích chính của nó là để router biết trên liên kết nào sẽ chuyển tiếp thông điệp dành tài nguyên (nó cũng bao gồm định nghĩa về đặc điểm lưu lượng của luồng). Thông điệp Error được sử dụng khi việc dành tài nguyên thất bại. RSVP không phải là một giao thức định tuyến, do đó nó không cần xác định liên kết nào sẽ được dùng để dành trước mà nó dựa vào các giao thức định tuyến bên dưới để xác định tuyến đường cho một luồng. Một khi tuyến đường được xác định, RSVP bắt đầu thực hiện việc dành trước tài nguyên. Trong suốt quá trình thiết lập để dành tài nguyên, RSVP phải được thông qua mô đun điều khiển về chính sách và mô đun quản lý về việc chấp nhận tuyến đường. Mô đun điều khiển về chính sách xác định xem người dùng có đủ thẩm
quyền để dành được nguồn tài nguyên hay không. Thành phần chấp nhận tuyến đường xác định xem nút đó có đủ tài nguyên để cung cấp cho yêu cầu QoS hay không. Nếu cả hai bước kiểm tra đều tốt, các tham số được thiết lập trong bộ phân loại gói và trong bộ lập lịch để đạt được QoS mong muốn. Tiến trình này được thực hiện tại mọi router và máy tính dọc theo tuyến đường. Nếu có xảy ra lỗi, thông điệp RSVP Error được tạo và quảng bá cho mọi nút.
Một đặc điểm quan trọng của RSVP là việc dành tài nguyên được thực hiện bởi “trạng thái mềm”. Có nghĩa là trạng thái dành tài nguyên có liên quan tới một bộ định thời và khi bộ định thời hết hạn, việc dành trước tài nguyên được loại bỏ. Nếu nơi nhận muốn lưu lại trạng thái dành tài nguyên nào, nó phải đều đặn gửi các thông điệp dành tài nguyên. Nơi gởi cũng phải thường xuyên gửi các thông điệp này. RSVP được thiết kế dành cho kiến trúc Intserv nhưng vai trò của nó cũng được mở rộng cho giao thức báo hiệu trong MPLS.
2.4.1.2. Dịch vụ phân biệt - Diffserv
Việc đưa ra mô hình IntServ đã có vẻ như giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến QoS trong mạng IP. Tuy nhiên trên thực tế, mô hình này không thực sự đảm bảo được QoS xuyên suốt (end-to-end) do chỉ áp dụng được cho những mạng có số các luồng dữ liệu là nhỏ. Đã có nhiều cố gắng để thay đổi điều này nhằm đạt được một mức QoS cao hơn cho mạng IP và một trong những cố gắng đó là sự ra đời của mô hình dịch vụ phân biệt Diffserv. DiffServ sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để hỗ trợ các dịch vụ ưu tiên qua mạng IP. [8]
Nguyên tắc cơ bản của DiffServ như sau:
o Định nghĩa một số lượng nhỏ các lớp dịch vụ hay mức ưu tiên. Một
lớp dịch vụ có thể liên quan đến đặc tính lưu lượng (băng tần min – max, kích cỡ cụm, thời gian kéo dài cụm…)
o Phân loại và đánh dấu các gói riêng biệt tại biên của mạng vào các
lớp dịch vụ.
o Các thiết bị chuyển mạch, bộ định tuyến trong mạng lõi sẽ phục vụ
các gói theo nội dung của các bit đã được đánh dấu trong mào đầu của gói.
Với nguyên tắc này, DiffServ có nhiều lợi thế hơn so với IntServ:
o Không yêu cầu báo hiệu cho từng luồng.
o Dịch vụ ưu tiên có thể áp dụng cho một số luồng riêng biệt cùng
cung cấp một số lượng nhỏ các mức dịch vụ khác nhau cho khách hàng có nhu cầu.
o Không yêu cầu thay đổi tại các máy chủ hay các ứng dụng để hỗ trợ
dịch vụ ưu tiên. Đây là công việc của thiết bị biên.
o Hỗ trợ tốt dịch vụ VPN.
Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng được thể hiện trên Hình 2-10.
Phân loại đa byte Kiểm soát Đánh dấu gói
Phân loại DS byte Hàng đợi, quản lý lập lịch Hàng đợi, quản lý
lập lịch
Router lõi Router biên
Hình 2-10. Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng
Kiến trúc Diffserv bao gồm hai tập các thành phần chức năng:
Tại biên của mạng: việc phân loại và điều khiển lưu lượng được thực
hiện và các gói được phân vào các lớp.
Tại lõi của mạng: một cơ chế phân loại đơn giản được thực hiện. Cơ
chế hàng đợi dựa trên lớp được áp dụng.
Mô hình DiffServ bao gồm một số thành phần như sau:
DS-byte: byte xác định DiffServ là thành phần TOS của IPv4 và
trường loại lưu lượng IPv6. Các bít trong byte này thông báo gói tin được mong đợi nhận được thuộc dịch vụ nào.
Các thiết bị biên (bộ định tuyến biên): nằm tại lối vào hay lối ra của
mạng cung cấp DiffServ.
Các thiết bị bên trong mạng DiffServ.
Quản lý cưỡng bức: các công cụ và nhà quản trị mạng giám sát và đo
2.4.2. Giải pháp QoS trên mạng truy nhập
Các dịch vụ băng rộng mới hiện nay như truyền hình tương tác (IPTV), thoại đa phương tiện…phải thoả mãn được sự mong đợi của người dùng như tính sẵn sàng cao, chất lượng hình ảnh sắc nét không bị chớp và âm thanh không bị méo…Để đảm bảo điều đó thì các mạng truy nhập cố định và di động phải đáp ứng được yêu cầu về chất lượng dịch vụ QoS, [20].
Hình 2-11 mô tả mô hình QoS cho phần mạng truy nhập E2E được 3GPP đề cập trong tài liệu TS 23.107.
Hình 2-11. Kiến trúc QoS trong phân vùng mạng truy nhập (3GPP)
Trong phân vùng mạng truy nhập thì các nghiên cứu của 3GPP tương đối bao trùm, 3GPP all-IP xử lý với các mạng không dây tổng quát gồm nhiều phương thức truy nhập khác nhau (TISPAN có mở rộng sang các truy nhập cố định-wireline nhưng thực tế có thể coi là một trường hợp của sự di động với vận tốc bằng 0). Do vậy, ở đây có thể coi framework về QoS được khuyến nghị bởi 3GPP đại diện cho phần mạng này.
Ở đây, phần quản lý QoS dựa trên chính sách có chức năng quyết định dịch vụ (PDP), bao gồm MPDF, WCB và BB. Phần chấp nhận các chính sách (PEP) nằm trong các thực thể RNC, BSC, APC, GGSN. Mạng IP gom các lưu lượng truy nhập dựa trên cơ chế QoS dịch vụ phân biệt (DiffServ).
2.4.2.1. Đảm bảo chất lƣợng dịch vụ QoS trong mạng truy nhập cố định
Đối với mạng truy nhập cố định, chất lượng cung cấp đến khách hàng có thể đạt được bằng cách kết hợp các kỹ thuật QoS trong nút truy nhập và mạng đường trục. Cơ chế QoS được dùng trong các mạng truy nhập và mạng đường
trục cần phù hợp với quy hoạch và cấu hình mạng, các biện pháp kiểm soát tài nguyên và thực hiện theo cam kết về dịch vụ, [3].
QoS trong nút truy nhập: nút truy nhập được xem như một phần tử
mạng đầu tiên dưới sự kiểm soát của nhà cung cấp truy nhập, nó có một vai trò hết sức quan trọng trong việc cung cấp QoS cho toàn bộ lưu hượng hướng lên. Ngoài ra nút truy nhập còn có đầy đủ thông tin về đường truy nhập dành cho các luồng lưu lượng hướng xuống. Vì thế có thể ngăn chặn được hiện tượng nghẽn hướng xuống của lưu lượng có quyền ưu tiên cao.
QoS hƣớng lên:
Phân loại và lọc lưu lượng được thực hiện bằng cách sử dụng các danh sách điều khiển truy nhập ALC (Access Lists Control), danh sách này giúp nhận biết các dòng lưu lượng mà cần phải xử lý QoS. Người ta mong muốn các ALC sẽ trở nên quan trọng hơn, nó không chỉ bao gồm việc phân loại dựa trên ATM và Ethernet mà còn phân loại dựa trên IP và cổng. Việc lọc cũng thực hiện tính bảo mật nhằm loại bỏ lưu lượng không thực mà có thể gây ra tổn hại cho toàn mạng.
Đánh dấu (DSCP hoặc p-bit) với các giá trị có thể xác minh tính chính xác bởi các phần tử trong mạng đường trục khi cung cấp QoS cho từng luồng. DSCP được sử dụng chủ yếu bởi các bộ định tuyến dịch vụ IP có khả năng hỗ trợ QoS, trong khi p-bit có thể được sử dụng bởi các chuyển mạch Ethernet/VPLS có khả năng hỗ trợ QoS. Nếu modem DSL hoặc Home Gateway đã thực hiện quá trình phân loại lưu lượng thì nút truy nhập có thể sử dụng đánh dấu DSCP hoặc p-bit để đảm bảo QoS cho mỗi luồng cũng như đánh dấu lại nếu cần. Mặt khác, quá trình lọc lưu lượng nút truy nhập phân loại lưu lượng thành các luồng con QoS, sau đó đánh dấu (hoặc đánh dấu lại) các gói tin tương ứng.
Kiểm soát đầu vào nhằm thực hiện các cam kết lưu lượng mà xác định rõ bao nhiêu lưu lượng người dùng có thể được gửi tới mạng. Bộ kiểm soát có thể dùng cho nguyên một đường truy nhập hoặc một tập hợp các luồng con QoS phù hợp với bộ phân loại đa đường.
Chuyển tiếp lưu lượng tới giao diện đầu ra có thể căn cứ vào một vài trường, điển hình là trường địa chỉ điều khiển truy nhập đa phương tiện MAC (Media Access Control) và địa chỉ IP đích.
Sắp xếp và lập lịch cho từng lớp QoS trên các nút truy nhập hướng lên dựa trên DSCP hoặc p-bit: một tập hợp các hàng đợi đầu ra và một lớp QoS được sắp xếp vào một hàng. Cơ chế lập lịch xác định cách xử lý chính xác đối
với các gói tin trong các hàng đợi khác nhau. Các bộ lập lịch khác nhau có thể