Luận văn Giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên mạng IP, đánh giá và so sánh hiệu quả đảm bảo QoS của Diffserv và Intserv
2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG
GIẢI PHÁP
ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN MẠNG IP,
ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QoS
CỦA DIFFSERV VÀ INTSERV
LUẬN VĂN THẠC SĨ
3
Hà Nội – 2010
4
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG
GIẢI PHÁP
ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN MẠNG IP,
ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO
QoS CỦA DIFFSERV VÀ INTSERV
Ngành: Công Nghệ Thông Tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số: 60.48.15
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Hồ Sĩ Đàm
Hà Nội – 2010
5
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu, kết quả
trình bày trong luận văn này là trung thực. Những tư liệu được sử dụng trong luận văn
có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng, đầy đủ.
Hà nội, tháng 9 năm 2010
Nguyễn Thị Phương Nhung
6
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành tới thầy giáo hướng
dẫn PGS.TS Hồ Sĩ Đàm người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình
làm luận văn. Sự giúp đỡ quý báu của thầy giáo đã tạo điều kiện về mặt khoa học và là
nguồn động viên tinh thần rất lớn giúp tôi hoàn thành luận văn của mình.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ths Lê Đình Thanh, người đã tận tình
giúp đỡ, hỗ trợ và đóng góp quý báu cho tôi thực hiện các mô phỏng kiểm chứng.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo đã giảng dạy và truyền
thụ kiến thức cho tôi trong quá trình học tập tại trường Đại học Công nghệ, Đại học
Quốc gia Hà Nội.
Cuối cùng, con xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới bậc sinh
thành, người đã dưỡng dục và động viên con trong suốt cuộc đời. Tôi cảm ơn chồng và
người thân trong gia đình đã là nguồn động viên tinh thần rất lớn đối với tôi.
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG
7
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................2
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................6
MỤC LỤC...................................................................................................................7
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT...........................................................9
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................11
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................12
MỞ ĐẦU...................................................................................................................15
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ.........................................17
1.1 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) VÀ CÁC THAM SỐ QoS .............................17
1.1.1 Giới thiệu chung về QoS...........................................................................17
1.1.2 Các thành phần thực hiện QoS..................................................................21
1.1.3 Các tham số QoS đặc trưng.......................................................................24
1.2 CÁC YÊU CẦU ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ...................................26
1.3 CÁC VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO QoS.........................................................................27
1.3.1 Cung cấp QoS...........................................................................................28
1.3.2 Điều khiển QoS.........................................................................................28
1.3.3 Quản lý QoS .............................................................................................29
Chương 2 ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG IP .........................30
2.1 GIAO THỨC LIÊN MẠNG (IP – INTERNET PROTOCOL) .............................30
2.1.1 Phần tiêu đề gói IP....................................................................................31
2.1.2 Địa chỉ IP..................................................................................................32
2.1.3 Các giao thức định tuyến...........................................................................33
2.1.4 Các cơ chế truyền tải.................................................................................34
2.2 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG IP (QoS IP)..............34
2.2.1 Lịch sử phát triển các mô hình QoS IP......................................................34
2.2.2 Các tham số cơ bản ảnh hưởng tới QoS IP thực tế.....................................36
2.3 CÁC CHỨC NĂNG CHUNG CỦA QoS IP .......................................................39
2.4 CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO QoS IP................................................................42
2.4.1 Kỹ thuật đo lưu lượng và màu hóa lưu lượng............................................42
2.4.2 Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực............................................................46
2.4.3 Kỹ thuật lập lịch cho gói tin......................................................................47
2.4.4 Kỹ thuật cắt lưu lượng ..............................................................................50
2.5 KẾT LUẬN ........................................................................................................52
Chương 3: MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP ................................................53
3.1 MÔ HÌNH DỊCH VỤ TÍCH HỢP - INTSERV .....................................................53
8
3.1.1 Giới thiệu chung .......................................................................................53
3.1.2 Giao thức dành trước tài nguyên RSVP.......................................................57
3.2 MÔ HÌNH DỊCH VỤ PHÂN BIỆT - DIFFSERV..................................................64
3.2.1 Tổng quan về mô hình DiffServ..................................................................64
3.2.2 Miền dịch vụ phân biệt và điểm mã dịch vụ phân biệt .................................66
3.2.4 Xử lý gói tin trong DiffServ........................................................................68
3.3 KHUYẾN NGHỊ TRIỂN KHAI QoS TRÊN MẠNG IP........................................73
3.4 KẾT LUẬN ........................................................................................................73
Chương 4 ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP QUA MÔ PHỎNG............74
4.1 ĐÁNH GIÁ CHUNG...........................................................................................74
4.2 MÔ PHỎNG VÀ KIỂM TRA QoS.....................................................................75
4.2.1 Tổng quan chương trình mô phỏng mạng NS2..........................................75
4.2.2 Mô phỏng mô hình DiffServ .....................................................................79
KẾT LUẬN...............................................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................89
9
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
AF
Tiếng Anh
Tiếng Việt
Assured Forwarding
Application Layer
Chuyển tiếp đảm bảo
Tầng ứng dụng
AL
AQM
ATM
ACS
AF
Active Queue Management
Asychronous Transfer Mode
Access Control System
Assured Forward
Quản lý hàng đợitích cực
Chế độ truyền tải không đồng bộ
Hệ thống điều khiển truy nhập
Chuyển tiếp đảm bảo
Kết hợp hành vi
BA
Behavior Aggressive
Bandwith Broker
BB
Phân bổ băng thông
BE
Best-Effort
Cố gắng tối đa
B-ISDN
CBR
CBS
CIR
Broadband ISDN
Mạng tích hợp đa dịch vụ băng rộng
Tốc độ bit cố định
Constant Bit Rate
Committed Burst Size
Committed Information Rate
Class of Service
Kích thước bùng nổ cam kết
Tốc độ thông tin cam kết
Lớp dịch vụ
CoS
CR
Core Router
Bộ định tuyến lõi
DiffServ
DLL
DS
Differentiated Services
Data Link Layer
Dịch vụ phân biệt
Tầng liên kết dữ liệu
Differentiated Server
Differentiated Services Code Point
Explicit Congestion Notification
Expedited Forwarding
Edge Router
Server phân biệt
DSCP
ECN
EF
Điểm mã dịch vụ phân biệt
Thông báo tắc nghẽn tường minh
Chuyển tiếp nhanh
ER
Bộ định tuyến biên
ETSI
European Telecommunications
Standards Institute
Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu
FIFO
First In First Out
Vào trước ra trước
FLOWSPEC Flow Specification
Đặc tả luồng
FQ
Fair Queueing
Hàng đợi công bằng
Thông tin trạng thái luồng
Cấp độ dịch vụ
FSI
Flow State Information
Grade of Sevice
GoS
GS
Guaranteed Service
Internet Engineering Task Force
Intergrated Service
IP Loss Rate
Dịch vụ đảm bảo
IETF
IntServ
IPLR
IPTD
IPER
ISO
Uỷ ban thực thi kỹ thuật Internet
Dịch vụ tích hợp
Tỷ lệ mất gói IP
IP Packet Transfer Delay
IP Error Rate
Trễ truyền tải gói tin IP
Tỷ lệ lỗi gói tin IP
International Standard Organization
Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
10
IPv4
IPv6
ITU-T
MF
Internet Protocol version 4
Internet Protocol version 6
Giao thức Internet phiên bản 4
Giao thức Internet phiên bản 6
International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế
Multi Fields
Đa trường
MPLS
NL
MultiProtocol Label Switching
Network Layer
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
Tầng mạng
NNI
Network Node Interface
Net Performance
Giao diện nút mạng
NP
Hiệu năng mạng
PBS
Packet Burst Size
Kích thước bùng nổ gói
Hành vichuyển tiếp theo từng chặng
Tốc độ thông tin đỉnh
Hàng đợi ưu tiên
PHB
PIR
Per-Hop forwarding Behaviour
Peak Information Rate
Priority Queueing
PQ
QoS
RA
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
Resource Allocation
Cấp phát tài nguyên
RED
RFC
RSVP
SACP
SE
Random Early Detection and Discard
Request For Comments
Resource Reservation Protocol
Simple Acceptance Control Protocol
Shared Explicit
Phát hiện và loại bỏ sớm ngẫu nhiên
Các yêu cầu cần trả lời
Giao thức dành trước tài nguyên
Giao thức điều khiển chấp nhận đơn giản
Chia sẻ tường minh
SLA
SNMP
srTCM
TCA
TL
Service Level Argreement
Thoả thuận mức dịch vụ
Simple Network Management Protocol Giao thức quản lý mạng đơn giản
Single rate Three Color Marker
Traffic Conditioning Agreement
Transmission Layer
Bộ đánh dấu 3 màu tốc độ đơn
Thoả thuận điều kiện lưu lượng
Tầng truyền dẫn
ToS
Type of Service
Kiểu dịch vụ
trTCM
UBR
UNI
Two rate Three Color Marker
Undefined Bit rate
Bộ đánh dấu 3 màu hai tốc độ
Tốc độ bit không xác định
Giao diện người dùng mạng
Tốc độ bit thay đổi
User Network Interface
Variable Bit Rate
VBR
VoIP
VPN
WF
Voice over IP
Thoại qua IP
Virtual Private Network
Wildcard Filter
Mạng riêng ảo
Bộ lọc Wildcard
WFQ
WRED
WRR
Weighted Fair Queueing
Weighted Random Early Discarding
Weighted Round Robin
Hàng đợi công bằng theo trọng số
Loại bỏ sớm ngẫu nhiên theo trọng số
Quay vòng theo trọng số
11
DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng
Trang
Bảng 1.1. Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T .................................26
Bảng 1.2. Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI ....................................................26
Bảng 1.3. Các vùng dịch vụ của B-ISDN...................................................................27
Bảng 1.4. Phân vùng dịch vụ theo diễn đàn ATM......................................................27
Bảng 3.1: Các kiểu dành trước tài nguyên..................................................................58
Bảng 3.2. Các bit sử dụng cho điều khiển chia sẻ......................................................61
Bảng 3.3. Các bít sử dụng cho điều khiển lựa chọn máy gửi .....................................61
Bảng 3.4. Các tham số của các đối tượng CL khác nhau ............................................63
Bảng 3.5. Các tham số của dịch vụ cam kết Rspec....................................................63
Bảng 3.6. Các khối điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP...............................................67
Bảng 3.7. Chi tiết các phân lớp chuyển tiếp đảm bảo AF PHB..................................70
Bảng 4.1. So sánh mô hình IntServ và DiffServ.........................................................75
12
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tên hình
Trang
Hình 1.1. Mô hình QoS tổng quát .............................................................................17
Hình 1.2. Kiến trúc cơ bản của QoS..........................................................................18
Hình 1.3. Các mức của chất lượng dịch vụ đầu cuối-đầu cuối...................................19
Hình 1.4. Các đặc điểm cơ bản của chất lượng dịch vụ .............................................20
Hình 1.5. Hàng đợi vào trước ra trước trong router ...................................................22
Hình 1.6. Classify, Queue và Schedule trong router..................................................23
Hình 1.7. Cơ chế traffic shaping trong router ............................................................23
Hình 1.8. Các thành phần trong cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ ..........................28
Hình 2.1. Chồng giao thức TCP/IP ............................................................................30
Hình 2.2. Khuôn dạng phần tiêu đề gói IP..................................................................31
Hình 2.3. Các lớp địa chỉ IP.......................................................................................33
Hình 2.4. Các bước phát triển của mô hình QoS [12].................................................34
Hình 2.5. Dịch vụ Intserv và dịch vụ Diffserv [19]. ...................................................35
Hình 2.6. Băng thông khả dụng..................................................................................37
Hình 2.7. Trễ tích lũy từ đầu cuối tới đầu cuối...........................................................38
Hình 2.8. Trễ xử lý và hàng đợi .................................................................................38
Hình 2.9. Mất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra...................................................39
Hình 2.10. Các chức năng đảm bảo QoS của bộ định tuyến IP...................................40
Hình 2.11. Phương pháp phân loại gói đa trường chức năng ......................................40
Hình 2.12. Phương pháp phân loại gói theo kết hợp hành vi ......................................41
Hình 2.13. Khoảng thời gian CBS trong CIR của tốc độ lưu lượng đầu vào đơn........43
Hình 2.14. Chế độ mù màu srTCM với gáo C và gáo E..............................................43
Hình 2.15. Chế độ hoạt động rõ màu srTCM .............................................................44
Hình 2.16. Gáo rò C, P và chế độ hoạt động mù màu của trTCM...............................45
Hình 2.17. Chế độ hoạt động rõ màu của trTCM........................................................45
Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED........................................................46
Hình 2.19. Hoạt động thông báo tắc nghẽn tường minh ECN.....................................47
Hình 2.20. Hàng đợi ưu tiên PQ.................................................................................48
Hình 2.21. Hàng đợi cân bằng FQ..............................................................................49
Hình 2.22. Hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR ..................................................49
Hình 2.23: Chia cắt lưu lượng thuần ..........................................................................51
Hình 2.24: Chia cắt lưu lượng bùng nổ kiểu gáo rò....................................................51
Hình 3.1. Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ ..............................................................54
13
Hình 3.2. Cấu trúc mạng IntServ...............................................................................58
Hình 3.3. Khuôn dạng bản tin RSVP và tiêu đề chung RSVP ...................................59
Hình 3.4. Khuôn dạng bản tin đối tượng RSVP.........................................................60
Hình 3.5. Khuôn dạng đối tượng kiểu .......................................................................60
Hình 3.6. Cấu trúc bản tin Path và Resv trong RSVP.................................................61
Hình 3.7. Tổng quan mô hình DiffServ.....................................................................64
Hình 3.8. Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng................................................65
Hình 3.9. Mô hình các bước dịch vụ phân biệt DiffServ ...........................................66
Hình 3.10. Miền dịch vụ phân biệt DS......................................................................67
Hình 3.11. Cấu trúc của trường phân biệt dịch vụ DS ................................................67
Hình 3.12. Hoạt động của BB ...................................................................................68
Hình 3.13. Xử lý chuyển tiếp nhanh EF PHB............................................................69
Hình 3.14. Các phân lớp AF PHB.............................................................................70
Hình 3.15. Cấu trúc của byte TOS ............................................................................71
Hình 4.1. Mô hình NS2 đơn giản ...............................................................................76
Hình 4.2. Tương ứng C++ và Otcl .............................................................................76
Hình 4.3. Kiến trúc của NS........................................................................................77
Hình 4.4. Sơ đồ hoạt động của NS2 ...........................................................................77
Hình 4.5. Các trường của tệp bám vết .......................................................................78
Hình 4.6. Mô hình khảo sát........................................................................................85
Hình 4.7. Đồ thị mô tả mất gói trong khoảng thời gian 120s ......................................86
Hình 4.8. Đồ thị mô tả thông lượng trong khoảng thời gian 120s ..... Error! Bookmark
not defined.
Hình 4.9. Độ trễ hàng đợi của lớp lưu lượng................Error! Bookmark not defined.
14
15
MỞ ĐẦU
1. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay, với sự bùng nổ của Internet, việc kết nối và sử dụng Internet ngày
càng đa dạng, phong phú, chính vì vậy tầm quan trọng của việc đảm bảo chất lượng
dịch vụ (QoS) ngày càng tăng. Với sự ra đời của các nhà cung cấp dịch vụ Internet
(ISP), việc ổn định “chất lượng của Internet” cần phải được đảm bảo. Điều đó có
nghĩa là các nhà cung cấp Internet tạo ra cho người dùng những dịch vụ đa dạng,
phong phú và cốt yếu là phải đảm bảo chất lượng dịch vụ đó.
Mạng Internet hiện nay cung cấp dịch vụ trên cơ sở phục vụ theo khả năng tối
đa (best - effort), tức là không có bất cứ một cam kết nào được đưa ra từ phía nhà khai
thác về chất lượng dịch vụ. Thay vào đó, tùy thuộc vào trạng thái cụ thể của mạng,
mạng chủ sẽ thực hiện những khả năng tốt nhất của mình để phục vụ lưu lượng cho
dịch vụ [9]. Đây là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy nghiên cứu mạnh mẽ về QoS trên
nền mạng IP trong những năm gần đây.
Chất lượng dịch vụ là một thành phần quan trọng của các mạng gói đa dịch vụ.
Vấn đề chất lượng dịch vụ và đánh giá chất lượng dịch vụ luôn là vấn đề đóng vai trò
quan trọng đối với tất cả các loại hình dịch vụ viễn thông. Mỗi loại hình dịch vụ sẽ
quan tâm tới QoS ở những khía cạnh khác nhau.
Việc tích hợp nhiều ứng dụng với các yêu cầu về QoS khác nhau đòi hỏi phải
có một mô hình đảm bảo QoS cho các dịch vụ này. Hướng tiếp cận QoS theo mô hình
IntServ và DiffServ rất phù hợp với mạng gói IP [18]. Công nghệ IP và các ứng dụng
của nó đã và đang tạo ra nhiều cơ hội và thách thức mới cho các nhà cung cấp dịch vụ
viễn thông.
Từ tính cấp thiết nêu trên, chúng tôi chọn đề tài “Giải pháp đảm bảo chất
lượng dịch vụ (QoS) trên mạng IP, đánh giá và so sánh hiệu quả đảm bảo QoS của
DiffServ và IntServ”. Luận văn sẽ đi sâu tìm hiểu những kiến thức cơ bản về chất
lượng dịch vụ trên nền mạng IP như đặc điểm kỹ thuật, phân tích và đánh giá chất
lượng cho mạng IP qua mô hình IntServ và DiffServ; việc triển khai, hỗ trợ chất lượng
dịch vụ trên nền mạng IP.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Luận văn tập trung nghiên cứu những vấn đề sau:
- Tập trung nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ trên mạng IP.
- Phân tích, đánh giá hai mô hình IntServ và Diffserv đối với QoS IP.
- Sử dụng công cụ NS2 mô phỏng mô hình đảm bảo QoS: IntServ và
DiffServ, từ đó đưa ra giải pháp cho việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trên
nền mạng IP.
16
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết về đảm bảo chất lượng dịch vụ. Các mô
hình và cơ chế đảm bảo QoS trên nền mạng IP.
Đánh giá và so sánh hiệu năng của 2 mô hình Intserv và DiffServ qua việc sử
dụng công cụ mô phỏng NS2.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thực hiện nghiên cứu lý thuyết về các kiến trúc QoS.
Phân tích và đánh giá qua mô phỏng.
5. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
Các vấn đề và yêu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ:
a) Khái niệm về QoS và những yếu tố liên quan: tham số và phương thức
đánh giá chất lượng dịch vụ mạng.
b) Với các dịch vụ trên nền mạng IP, những tham số đặc trưng khách quan được
chuẩn hóa qua các tham số như tỷ lệ mất gói, độ trễ gói, độ biến thiên trễ,...
c) Các thông số QoS: Khi xem xét đến đảm bảo chất lượng cho một dịch
vụ trên nền mạng IP, cần định nghĩa cụ thể tập hợp những tham số QoS
khách quan phải được quan tâm cùng với mô hình phù hợp cho sự ràng
buộc của các tham số đó.
Chương 2 ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG IP
Khái quát về mạng IP, các loại mạng, các giao thức liên mạng và định
tuyến, các cơ chế truyền tải trong mạng IP. Nghiên cứu các yếu tố chính có
ảnh hưởng tới mạng IP.
Tìm hiểu lịch sử phát triển QoS IP cùng với các tham số ảnh hưởng trực tiếp
tới QoS IP trên thực tế.
Các kỹ thuật và công nghệ đảm bảo QoS IP: quản lý hàng đợi, lưu lượng,
lập lịch cho gói tin.
Chương 3 MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP
Đi sâu nghiên cứu mô hình hỗ trợ chất lượng dịch vụ trong mạng IP, so sánh
lợi thế của mỗi mô hình dịch vụ đối với mạng IP.
Nghiên cứu và rút ra những giải pháp của hai mô hình IntServ và DiffServ.
Chương 4 ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP QUA MÔ PHỎNG
Đánh giá chung về DiffServ và IntServ, rút ra ưu – nhược điểm của hai mô
hình trong thực tế
Luận văn thực hiện mô phỏng bằng NS2 nhằm đánh giá mô hình đảm bảo
QoS trên mạng IP.
17
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
1.1 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) VÀ CÁC THAM SỐ QoS
1.1.1 Giới thiệu chung về QoS
Chất lượng dịch vụ (Quality of Service – QoS) là một khái niệm rộng và được
tiếp cận theo nhiều hướng khác nhau, QoS liên quan tới khả năng cung cấp các dịch vụ
tốt hơn của một mạng đối với một lưu lượng mạng đã chọn với những công nghệ khác
nhau bao gồm Frame Relay, ATM, Ethernet và các mạng 802.1, SONET, IP.
Chất lượng được định nghĩa trong ISO 9000 là “cấp độ của một tập các đặc
tính vốn có đáp ứng đầy đủ các yêu cầu”. Theo khuyến nghị E800 ITU-T, chất lượng
dịch vụ là “Một tập các khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thỏa
mãn của người sử dụng đối với dịch vụ”. Trong khi IETF [ETSI - TR102] nhìn nhận
QoS là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đối với
các kiểu luồng lưu lượng, QoS bao trùm cả phân loại hóa dịch vụ và hiệu năng tổng
thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ [10].
Cho đến nay vẫn chưa thực sự có một khái niệm hoàn chỉnh về chất lượng dịch
vụ, mặc dù vậy ta có thể hiểu chất lượng dịch vụ là điều kiện để việc cung cấp dịch vụ
truyền dữ liệu trên mạng phù hợp với các ứng dụng và đảm bảo sự nhận biết của
người dùng. Chất lượng dịch vụ bao gồm tập hợp các tiêu chí đặc trưng cho yêu cầu
của từng loại lưu lượng cụ thể trên mạng như độ trễ, jitter (sự thay đổi độ trễ), tỉ lệ
mất gói,…[16]. Các tiêu chí trên có liên quan chặt chẽ tới băng thông dành cho lưu
lượng đó .
Hình vẽ sau đây biểu diễn một mô hình QoS tổng quát:
Hình 1.1. Mô hình QoS tổng quát
Trong hình vẽ, NP (Net Performance) là năng lực và hiệu quả của một mạng cụ
thể. Nó bao gồm khả năng ứng xử, tính hiệu quả của mạng và chất lượng phục vụ mà
mạng cung cấp. AP (Access Point) là điểm truy nhập mạng.
18
Việc thực hiện đảm bảo chất lượng dịch vụ bao gồm ba thành tố cơ bản sau:
Các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ tại các nút mạng: thuật toán hàng đợi
(queuing), cơ chế định hình lưu lượng (traffic shapping), các cơ chế tối ưu hóa
đường truyền, các thuật toán dự đoán và tránh tắc nghẽn…
Phương thức báo hiệu QoS giữa các nút mạng để phối hợp hoạt động đảm bảo
chất lượng dịch vụ từ đầu cuối tới đầu cuối
Chính sách QoS và các chức năng tính cước, quản lý để điều khiển và phân
phát QoS cho các lưu lượng đi qua mạng
Hình 1.2. Kiến trúc cơ bản của QoS
Xét từ đầu cuối đến đầu cuối, chất lượng dịch vụ được chia ra một số loại sau:
Best-Effort Service: Mô hình dịch vụ “tối đa”, có nghĩa là mạng sẽ khai thác
hết khả năng trong giới hạn cho phép, nhưng không đảm bảo độ trễ và mất
mát dữ liệu. Vì vậy, khi có nhiều luồng lưu lượng truyền đi trong mạng và
vượt quá khả năng của mạng, dịch vụ không bị từ chối nhưng chất lượng
dịch vụ giảm: thời gian trễ tăng, tốc độ giảm và mất dữ liệu. Với Best-Effort,
dữ liệu đi vào mạng đều tuân theo quy tắc FIFO. Không có sự đối xử nào
của QoS đối với dữ liệu.
Differrentiated Service (còn gọi là soft QoS): Một vài dòng lưu lượng của dịch
vụ được ưu tiên hơn những dòng lưu lượng còn lại (ví dụ như cam kết các dịch
vụ khác nhau như thoại, video sẽ có băng thông ổn định, được xử lý nhanh hơn,
tỉ lệ mất gói ít hơn, …).
Guaranteed Service (còn gọi là hard QoS): dữ liệu đi vào mạng được phân loại
thành các lớp khác nhau để phân loại cách đối xử của mạng đối với dữ liệu.
Thực hiện thông qua các tool QoS là PQ, CQ, WFQ và WRED. Dịch vụ
được đảm bảo tuyệt đối về tài nguyên mạng dành cho nó, với điều khoản cụ thể
như băng thông, trễ, mất gói…
19
Hình 1.3. Các mức của chất lượng dịch vụ đầu cuối-đầu cuối
Tính chất chung của chất lượng dịch vụ: “Hiệu ứng chung của đặc tính chất
lượng dịch vụ là xác định mức độ hài lòng của người sử dụng đối với dịch vụ”. Ngoài
ra, QoS còn là “khả năng của mạng đảm bảo và duy trì các mức thực hiện nhất định
cho mỗi ứng dụng theo như các yêu cầu đã được chỉ rõ của mỗi người sử dụng”. Từ
đó, chất lượng dịch vụ QoS có thể được đánh giá theo hai cách: đánh giá chủ quan và
đánh giá khách quan.
Đối với người sử dụng dịch vụ, chất lượng dịch vụ phần lớn được đánh giá một
cách chủ quan. Ví dụ, khi truy cập một trang Web, yếu tố đầu tiên để người sử dụng đánh
giá chất lượng dịch vụ truy cập là khả năng truy nhập thành công trang Web đó. Một yếu
tố cũng không thể thiếu là đánh giá mức độ truy nhập nhanh hay chậm qua xem xét thời
gian cần thiết để tải các dữ liệu từ trang Web. Từ ý kiến đó, người sử dụng sẽ công nhận
dịch vụ truy cập Internet là tốt nếu khả năng truy nhập cao (sự gián đoạn là hạn hữu và
vận tốc truyền tải dữ liệu nhanh).
Dựa trên những đánh giá chủ quan, QoS được coi là mức độ chấp nhận dịch vụ
của người sử dụng và thường được đánh giá trên thang điểm đánh giá trung bình MoS
(Mean of Score), MoS dao động từ mức (1-tồi) đến mức (5- xuất sắc). QoS cần được cung
cấp cho mỗi ứng dụng để người sử dụng có thể chạy ứng dụng đó và mức QoS mà ứng
dụng đòi hỏi được xác định bởi người sử dụng. Từ MoS, các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra
mức chất lượng dịch vụ phù hợp cho dịch vụ của mình.
Điều cơ bản chung của cách đánh giá chủ quan là với người sử dụng, sự đánh giá
phụ thuộc vào dịch vụ cụ thể họ đang dùng. Vì những đánh giá này mang tính chủ quan nên
chúng không được biểu hóa một cách thống nhất và rành mạch.
Từ khía cạnh dịch vụ mạng, QoS liên quan tới năng lực cung cấp các yêu cầu
chất lượng dịch vụ cho người sử dụng. Có hai kiểu năng lực mạng để cung cấp chất
lượng dịch vụ trong mạng chuyển mạch gói.
a. Mạng chuyển mạch gói phải có khả năng phân biệt các lớp dịch vụ.
b. Một khi mạng có các lớp dịch vụ khác nhau, mạng phải có cơ chế ứng xử khác nhau
20
với các lớp bằng cách cung cấp các đảm bảo tài nguyên và phân biệt dịch vụ trong mạng.
Người sử dụng đầu cuối
Mạng chuyển mạch gói
Người sử dụng đầu cuối
QoS
QoS
Mức độ chấp nhận
dịch vụ
1. Khả năng phân lớp dịch vụ
2. Khả năng cung cấp dịch vụ
theo lớp
. Phân tích
. Mô hình hóa và mô phỏng
Kiểm tra
. Đo kiểm
Các tham số mạng:
Mất gói
Độ trễ
Trượt thời gian
Khả năng tắc nghẽn
MOS – E Mode
Hình 1.4. Các đặc điểm cơ bản của chất lượng dịch vụ
Phương pháp cơ bản để xác định chất lượng dịch vụ mạng là quá trình phân tích
lưu lượng và các điều kiện của mạng, thông qua các bài toán được mô hình hóa hoặc
đo kiểm trực tiếp các thông số mạng để đánh giá tiêu chuẩn khách quan.
Nhìn từ khía cạnh mạng, một khung làm việc chung của kiến trúc QoS gồm có:
Phương pháp để yêu cầu và nhận các mức của dịch vụ qua các hình thức
thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreements). Các thỏa thuận
SLA gồm các tham số QoS như băng thông, độ trễ, ...là một hình thức giao
kèo dịch vụ giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ. Khách hàng cần
SLA để hiểu các ứng dụng của họ nhận được mức dịch vụ như thế nào, còn
các nhà cung cấp dịch vụ cần SLA để hướng lưu lượng đầu vào của người
sử dụng tới mạng phù hợp.
Báo hiệu, phân phối bộ đệm và quản lý bộ đệm cho phép đáp ứng yêu cầu
mức dịch vụ thông qua các giao thức dành trước tài nguyên cho ứng dụng.
Điều khiển những ứng dụng có sai lệch trong việc thiết lập các mức dịch
vụ, thông qua quá trình phân loại loại lưu lượng, hướng tới chính sách
quản lý và thực thi đối với từng luồng lưu lượng nhằm xác định kỹ thuật
điều khiển lưu lượng phù hợp. Phương pháp sắp xếp cho luồng lưu lượng
qua mạng trong một chừng mực có thể đảm bảo thỏa thuận các mức dịch
vụ sử dụng, bằng các phương pháp định tuyến trên nền tảng QoS.
21
Phương pháp tránh tắc nghẽn, quản lý tắc nghẽn, hàng đợi, và thiết lập để
ngăn chặn các điều kiện sự cố mạng gây ra những hậu quả bất lợi ảnh hưởng
tới mức dịch vụ. Quản lý tắc nghẽn không phải là cơ chế phòng ngừa, nhưng
là một cơ chế tác động ngược khi các điều kiện tắc nghẽn phát sinh trong
mạng. Phát hiện và loại bỏ sớm ngẫu nghiên RED (Random Early
Detection and Discard) là một trong các kỹ thuật để ngăn ngừa tắc nghẽn.
Chính sách quản lý cho phép thực hiện các luật áp dụng cho các gói tin qua
mạng trên nền chính sách chung. Mỗi lớp lưu lượng có một giới hạn nhất
định số các gói tin được chấp nhận trong một khoảng thời gian nhất định.
Chính sách quản lý liên quan tới các hoạt động của thiết bị xử lý gói tin và
hiện trạng của mạng từ đó quyết định hình thức thỏa thuận mức dịch vụ.
Tiếp cận theo mô hình phân lớp trong mô hình tham chiếu hệ thống mở OSI
(Open System Interconnection) là cách tiếp cận khác về QoS được nhìn nhận từ phía
mạng, QoS được đánh giá trong một số tầng:
Tầng ứng dụng AL (Application Layer): QoS được nhận thức là “mức độ
dịch vụ”.
Tầng truyền tải TL (Transport Layer): QoS được thực hiện bởi kiến trúc
logic của mạng, các cơ chế định tuyến và báo hiệu.
Tầng mạng NL (Network layer): QoS thể hiện qua cac tham số lớp mạng:
Tỷ lệ lỗi, giá trị trung bình, giá trị lớn nhất của các tham số như băng
thông, độ trễ và độ tin cậy của luồng lưu lượng.
Lớp liên kết dữ liệu DLL (Data link Layer): QoS được thể hiện qua các
tham số truyền dẫn, tỷ lệ lỗi thông tin, các hiện tượng tắc nghẽn và hỏng
hóc của các tuyến liên kết.
Từ mô hình trên chúng ta nhận thấy, chất lượng dịch vụ tại các tầng cao của mô
hình hướng về người sử dụng (liên quan tới giao thức và phần mềm điều khiển), trong
khi các tầng thấp hướng về các đặc tính của hệ thống mạng truyền thông (như cấu trúc
mạng, tài nguyên sử dụng trong các nút và liên kết).
1.1.2 Các thành phần thực hiện QoS
Mục đích chính của QoS là cung cấp thứ tự ưu tiên các dịch vụ giao nhận thông
tin tin cậy cho những lớp hay loại lưu lượng nào đó bao gồm: cấp băng thông, điều
khiển rung pha và trễ (cần thiết đối với các ứng dụng thời gian thực và lưu lượng
tương tác), cung cấp sự ưu tiên cho một hay nhiều luồng mà không làm cho các luồng
khác bị lỗi... Vấn đề trước tiên phải quan tâm là quá trình lưu và chuyển gói tại các nút
mạng diễn ra như thế nào, do tuyến đường mà gói đi qua để đến đích là một chuỗi các
nút và liên kết mạng.
22
1.1.2.1 Thực hiện QoS tại các nút mạng
Quyết định chuyển gói dựa trên địa chỉ đích của mỗi gói và thông tin trong
bảng định tuyến của router. Những router cần cho mạng có đảm bảo chất lượng dịch
vụ không thì cần phải quan tâm thời điểm gửi gói.
Trong phần lớn các mạng, lưu lượng đến theo từng đợt thay đổi thất thường.
Trường hợp hay xảy ra là nhiều đợt gói tin đến từ các tuyến vào khác nhau và cùng
một tuyến ra (bản thân tuyến ra chỉ có dung lượng hữu hạn) làm cho router nhận được
số gói vượt quá khả năng phân phát tức thời của nó. Để đối phó với trường hợp này,
tất cả các router đều có các bộ đệm bên trong (các hàng đợi – queues) để lưu trữ những
gói thừa cho đến khi chúng có thể được chuyển. Khi đó các gói này sẽ chịu thêm độ
trễ, hay router chịu một sự ứ nghẽn nhất thời. Trễ của gói từ nguồn tới đích bao gồm
nhiều thành phần nhưng trễ do bộ đệm kể trên rất thất thường, nó thay đổi ngay cả
giữa các gói tới cùng một đích.
Mặt khác, gói đến sẽ bị hủy nếu hết dung lượng bộ đệm và tỷ lệ mất gói là một
yếu tố không kiểm soát được. Với các hàng đợi FIFO sẽ không có các cơ chế phân
tách các loại lưu lượng khác nhau, lưu lượng này sẽ ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ
của lưu lượng kia khi vượt qua cùng một hàng đợi.
Cổng 1
Chiều dài L gói
Hàng đợi FIFO
Cổng ra M
Cổng n
Hình 1.5. Hàng đợi vào trước ra trước trong router
Thay vì chỉ có một hàng đợi phục vụ cho mọi loại lưu lượng, người ta đưa ra cơ
chế CQS (Classification-Queuing-Scheduling): sử dụng nhiều hàng đợi (với dung
lượng và chính sách hủy gói khác nhau) phù hợp với yêu cầu chất lượng dịch vụ của
từng lớp lưu lượng cần phục vụ. Classification thực hiện phân loại gói và chỉ định
hàng đợi phù hợp cho từng gói. Các hàng đợi vẫn phải chia sẻ cùng một dung lượng
tuyến ra (Output link) hữu hạn, cần một cơ chế đặt lịch phục vụ (Scheduling) từng
hàng đợi. Các router như vậy được gọi là có kiến trúc CQS.
23
Phân loại (Classify)
Cổng 1
Hàng đợi
Hàng đợi
Schedule
Cổng ra M
Cổng N
Hàng đợi
Hình 1.6. Classify, Queue và Schedule trong router
Kiến trúc CQS cho phép chia tách, không cho các loại lưu lượng ảnh hưởng lẫn
nhau, thực hiện ưu tiên với các loại lưu lượng cần chất lượng dịch vụ cao. Thực tế cần
đặt ra những giới hạn để các loại lưu lượng không được ưu tiên vẫn có được chất
lượng dịch vụ tối thiểu cũng như đảm bảo băng thông cho những loại được ưu tiên.
Một chức năng trong kiến trúc CQS là đặt ra các giới hạn băng thông cho một
lớp lưu lượng (được gọi là định hình lưu lượng (traffic shaping)). Nó kết hợp với
chức năng lập lịch (scheduling) để quy định mức tần suất phục vụ với từng hàng đợi
hoặc khoảng thời gian giữa hai lần lấy gói ra ở cùng một hàng đợi. Định hình lưu
lượng cung cấp một cơ chế điều khiển lưu lượng tại một giao diện cụ thể. Nó giới hạn
lưu lượng thông tin đi ra khỏi giao diện để tránh làm mạng bị tắc nghẽn bằng các ràng
buộc tốc độ thông tin đi ra ở một tốc độ bit cụ thể đối với từng loại lưu lượng tránh
trường hợp tốc độ bit tăng đột ngột.
Gói đến
ít nhất T giây giữa hai lần
1
2
3
4
Cổng 1
Schedule
Hàng được định hình
Hàng đợi
Cổng ra M
Gói đi
2
1
3
4
Hình 1.7. Cơ chế traffic shaping trong router
Khi có quá nhiều gói đến trong một khoảng thời gian ngắn thì hủy gói là không
tránh khỏi. Việc hủy gói phải tuân theo một số chính sách (policy). Giống như định
24
hình lưu lượng, policing cũng là công cụ giới hạn tốc độ bit (rate-limiting tool) do đó
tạm dịch là kiểm soát lưu lượng. Chính sách hủy gói có thể đơn giản như hủy những
gói mới đến khi không còn chỗ trong hàng đợi.
1.1.2.2 Báo hiệu QoS
Báo hiệu QoS cung cấp một cơ chế cho phép trạm cuối hoặc phần tử mạng đưa
ra yêu cầu về QoS với mạng. Báo hiệu thực sự cần thiết để phối hợp giữa các nút
mạng với các kỹ thuật xử lý lưu lượng nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ “end to
end”. Trong mạng IP chất lượng dịch vụ từ đầu cuối tới đầu cuối được xây dựng từ
chất lượng dịch vụ trên một chuỗi các chặng mà lưu lượng đi qua.
Báo hiệu điều khiển QoS rất cần thiết cho việc sử dụng các cơ chế xử lý lưu
lượng . Có 2 phương pháp hay dùng cho báo hiệu QoS là: Sử dụng quyền ưu tiên IP (IP
precendence) và sử dụng giao thức báo hiệu RSVP ( Resource Reservation Protocol). Chi
tiết về hai phương pháp báo hiệu sẽ được trình bày trong các chương sau.
1.1.3 Các tham số QoS đặc trưng
Yêu cầu chất lượng dịch vụ của các ứng dụng khác nhau có thể biểu diễn bằng
một tập các tham số QoS đo được bao gồm băng thông, độ trễ, rung pha, xác xuất mất
gói. Các tham số sử dụng để tính toán QoS tùy thuộc vào kiểu mạng: Ví dụ thoại và
các ứng dụng multimedia rất nhạy cảm với trễ và rung pha; với mạng IP các tham số
thường được sử dụng là băng thông, độ trễ và độ tin cậy; trong khi đó mạng không
dây thường sử dụng các tham số như băng thông, nhiễu, suy hao và độ tin cậy.
Chúng ta sẽ xem xét các tham số đo tổng quát trong khung làm việc chung của QoS:
(i) Băng thông
Băng thông biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được giữa
hai điểm kết nối, được tính theo (bit/s). Có thể giải thích cụ thể như sau:
Biểu diễn mô hình trạng thái QoS của mạng dưới dạng một đồ thị
G(V,E) (trong đó: V là các nút, E là các liên kết). Lưu lượng vào qua nút Vi và
ra khỏi mạng nút Vj. Mỗi liên kết (i, j) có 2 đặc tính: C(i, j) là dung lượng liên
kết, f(i,j) là lưu lượng thực tế. Gọi R(i, j) = C(i, j) – f(i, j) là băng thông dư. Khi
đó, nếu một kết nối yêu cầu băng thông là Dk thì một kết nối được gọi là khả
dụng khi và chỉ khi R(i,j) ≥ Dk. Một kết nối mới có thể được chấp nhận nếu tồn
tại ít nhất một đường dẫn khả dụng giữa 2 nút Vi và Vj.
(ii) Độ trễ
Trễ là khoảng thời gian một bản tin chiếm khi truyền từ điểm này đến
điểm khác. Trễ tổng thể (còn gọi là trễ tích lũy) là thời gian trễ từ đầu cuối phát
tới đầu cuối thu tín hiệu. Các thành phần trong tuyến kết nối gây ra trễ như thiết
bị phát, truyền dẫn, thiết bị chuyển mạch và định tuyến. Trễ bao gồm một số
thành phần như:
25
Trễ hàng đợi: là thời gian tiêu tốn trong hàng đợi để thực hiện quyết
định định tuyến trong bộ định tuyến hay là thời gian một gói phải trải
qua trong một hàng đợi khi nó phải đợi để được truyền đi trong một
liên kết khác.
Trễ lan truyền: là thời gian cần thiết để môi trường vật lý truyền dữ
liệu. Ví dụ trễ lan truyền trong các truyền dẫn quang thường nhỏ hơn
môi trường vô tuyến.
Trễ chuyển tiếp: là thời gian cần thiết để thực hiện quyết định trong
bộ định tuyến hay thời gian được yêu cầu để xử lý các gói đã đến
trong một nút. Ví dụ, thời gian để kiểm tra tiêu đề gói và xác định nút
tiếp theo để gửi đi.
Trễ truyền dẫn: là thời gian sử dụng để truyền tất cả các bit trong gói qua
liên kết, trễ truyền dẫn được xác định trên thực tế của băng thông liên kết.
Thành phần có thể được quản lý là trễ hàng đợi. Gói có ưu tiên cao hơn
sẽ được đưa ra để truyền trước và kỹ thuật hàng đợi như RED được áp dụng.
(iii) Biến thiên trễ (Jitter)
Biến thiên trễ là sự khác biệt về trễ của các gói khác nhau cùng trong
một luồng lưu lượng. Biến thiên trễ chủ yếu do sự sai khác về thời gian xếp
hàng của các gói liên tiếp trong một luồng gây ra và là một trong những vấn đề
quan trọng của QoS. Khi biến thiên nằm vào khoảng dung sai định nghĩa trước
thì nó không ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ, ngược lại, nếu biến thiên trễ quá
lớn sẽ làm cho kết nối mạng bị đứt quãng. Trong một số ứng dụng, như ứng
dụng thời gian thực không thể chấp nhận rung pha, biến thiên trễ lớn có thể
được xử lý bằng bộ đệm, song nó lại làm tăng trễ.
(iv) Độ tin cậy
Độ tin cậy xác định độ ổn định của hệ thống, đồng nghĩa với độ khả
dụng của hệ thống. Độ khả dụng của mạng càng cao nghĩa là độ tin cậy của
mạng và độ ổn định của hệ thống càng lớn. Độ khả dụng của mạng thường
được tính trên cơ sở thời gian ngừng hoạt động và tổng số thời gian hoạt động.
(v) Mất gói
Mất gói tin là trường hợp khi gói tin không tới được đích của nó trước
thời gian timeout của bộ thu. Trong mạng TCP/IP mất gói xảy ra do mạng bị
nghẽn liên tục hoặc xảy ra trên chính các trường chuyển mạch gói, đây là
nguyên nhân gây ra sự tràn bộ nhớ hoặc loại bỏ gói tin bởi các phương tiện
quản lí lưu lượng. Từng gói bị mất không thường xuyên cũng khiến kết nối gặp
khó khăn. Xác xuất mất gói là giá trị được nhân lên từ xác xuất mất gói được kỳ
vọng ở mỗi một trong các nút trung gian giữa một cặp nguồn và đích. Xác xuất
26
mất gói là một đại lượng quan trọng của QoS với các ứng dụng dữ liệu hay các
dịch vụ thời gian thực.
1.2 CÁC YÊU CẦU ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
Để nhận biết các yêu cầu về chất lượng dịch vụ, hệ thống thường nhận biết qua
các lớp dịch vụ. Theo quan điểm của ITU-T, khuyến nghị I-1541 các lớp dịch vụ được
chia thành các vùng như sau:
Bảng 1.1. Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T
Lớp QoS
Các đặc tính QoS
Thời gian thực, nhạy cảm với jitter, tương tác cao
Thời gian thực, nhạy cảm với jitter, tương tác
Dữ liệu chuyển giao, tương tác cao
Dữ liệu chuyển giao, tương tác
0
1
2
3
4
5
Tổn hao thấp
Các ứng dụng nguyên thủy của mạng IP ngầm định
Theo quan điểm này, các tham số thời gian thực và tương tác cao được đặt lên
hàng đầu đối với mạng IP. Trong khi đó, mạng IP nguyên thủy không hỗ trợ QoS cho
các dịch vụ thời gian thực.
Trong dự án TIPHON, ETSI đề xuất phân lớp QoS như sau:
Bảng 1.2. Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI
Lớp QoS
Thành phần
Các đặc tính QoS
Hội thoại thời gian Thoại,
audio, Nhạy cảm với trễ và biến động trễ, có
thực (thoại, video, video, đa phương giới hạn lỗi và tổn thất, tốc độ bít thay
hội nghị). tiện đổi và cố định
Luồng thời gian Audio, video, đa Trễ và biến động trễ có dung sai nhất
thực (quảng bá)
phương tiện
định, dung sai nhỏ đối với lỗi và tổn thất,
tốc độ bít thay đổi.
Tươngtáccận thời gian Dữ liệu
thực(webbrowsing)
Nhạy cảm với trễ, biến động trễ và tổn
thất, tốc độ bít thay đổi.
Phi thời gian thực Dữ liệu
(Email)
Không nhạy cảm với trễ và biến động
trễ, nhạy cảm với lỗi, nỗ lực tối đa.
Hướng tiếp cận của ETSI tập trung vào các dịch vụ thường sử dụng trên mạng
IP để phân ra các loại dịch vụ yêu cầu thời gian thực và không yêu cầu thời gian thực.
Đối với các yêu cầu thời gian thực, ETSI-TR102 phân biệt dịch vụ qua các độ nhạy
cảm với các tham số QoS: Trễ, biến động trễ, tổn thất gói và đặc tính tốc độ bít.
27
Đối với mạng tích hợp đa dịch vụ băng rộng B-ISDN, ITU-T định nghĩa các
vùng dịch vụ, theo hướng liên quan tới công nghệ lõi của B-ISDN là công nghệ ATM
theo bảng dưới đây:
Bảng 1.3. Các vùng dịch vụ của B-ISDN
Vùng dịch vụ
Hội thoại
Các ứng dụng
Thoại, video hội nghị, truyền thông đa phương tiện tốc
độ cao (truyền file, âm thanh, hình ảnh).
Email, chat
Bản tin
Khôi phục
Phân bổ
Truyền video, ảnh tĩnh, âm thanh và dữ liệu
Phân bổ nội dung video, quảng bá TV
Theo các phân vùng dịch vụ của B-ISDN, diễn đàn ATM đưa ra các phân lớp
dịch vụ ATM với các đặc tính ứng dụng và đặc tính QoS như sau:
Bảng 1.4. Phân vùng dịch vụ theo diễn đàn ATM
Vùng dịch vụ ATM
Ứng dụng
Các đặc tính QoS
Biến động trễ tế bào thấp, tổn
thất thấp
Tốc độ bit cố định (CBR)
Mô phỏng kênh
Tốc độ bit thay đổi – thời Video theo yêu cầu Biến động trễ bình thường, tổn
gian thực (rt – VBR)
thất thấp
Tốc độ bit thay đổi – phi Lưu lượng gói
thời gian thực (nrt – VBR)
Tổn thất bình thường
Tốc độ bit khả dụng (ABR) Tương thích tốc độ Tổn thất thấp
nguồn
Tốc độ bit không định nghĩa Lưu lượng nỗ lực Không yêu cầu
(UBR)
tối đa
1.3 CÁC VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO QoS
Một cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ chung nhất gồm 3 phần chính: Cung
cấp QoS, điều khiển QoS và quản lý QoS:
Cung cấp QoS đưa ra hàng loạt các kỹ thuật nhằm thiết lập luồng và các giai
đoạn thỏa thuận tài nguyên nhằm đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối.
Điều khiển QoS đưa ra hàng loạt các hành vi điều khiển như lập lịch, chia
gói và điều khiển luồng.
Quản lý QoS nhằm giám sát, phân bổ lại tài nguyên và duy trì các điều kiện
đảm bảo QoS.
28
Cơ cấu QoS
Quản lý QoS
Cung cấp QoS
1. Ánh xạ QoS
Điều khiển QoS
1. Giám sát QoS
2. Độ khả dụng QoS
3. Giảm cấp QoS
4. Duy trì QoS
1. Lập lịch luồng
2. Chia lưu lượng
3. Chính sách luồng
4. Điều khiển luồng
5. Đồng bộ luồng
2. Kiểm tra quản lý
3. Dành trước tài nguyên
5. Mở rộng QoS
Hình 1.8. Các thành phần trong cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ
1.3.1 Cung cấp QoS
Cơ cấu cung cấp QoS bao gồm ánh xạ QoS, kiểm tra quản lý và dành trước tài nguyên:
Module ánh xạ QoS: thực hiện chức năng biên dịch giữa các thể hiện QoS
sang các mức hệ thống khác nhau.
Module kiểm tra quản lý QoS: chịu trách nhiệm kiểm tra độ khả dụng của
nguồn tài nguyên so với các yêu cầu và ra quyết định có cho phép các yêu
cầu mới hoặc không.
Module báo hiệu và dành trước tài nguyên: sắp xếp các nguồn tài nguyên
thích hợp với các đặc tính QoS của người sử dụng. Module quản lý QoS cần
dịch vụ này để xác nhận các kiểm tra điều khiển quản lý thành công hoặc
không. Module ánh xạ QoS cần phải quan tâm tới khả năng của các giao
thức báo hiệu trước khi ghép các đặc tính QoS vào mức chất lượng mạng.
1.3.2 Điều khiển QoS
Thành phần điều khiển QoS cung cấp điều khiển lưu lượng thời gian thực dựa
trên các yêu cầu mức QoS từ giai đoạn cung cấp QoS bao gồm các module:
Module lập lịch luồng quản lý các luồng chuyển tiếp theo cùng một cách
thức ở cả hệ thống cuối và mạng.
Module chia lưu lượng điều chỉnh các luồng lưu lượng dựa trên các mức
yêu cầu QoS bao gồm các thuật toán để phân tích và định hướng các luồng
tại biên mạng và lập lịch trong mạng để cung cấp hiệu năng cao nhất.
Module chính sách luồng sử dụng trong điều kiện lưu lượng người dùng
chuyển qua vùng biên quản lý và cần loại bỏ giám sát.
Module đồng bộ luồng điều khiển các sự kiện tương tác đa phương tiện theo
trình tự và thời gian chính xác.
29
1.3.3 Quản lý QoS
Quản lý QoS để duy trì các mức QoS thỏa thuận theo các module:
Module kiểm tra QoS: theo dõi các mức QoS đầu ra sẽ được cung cấp hoặc sử
dụng, nó chính là cơ sở của thực tế quản lý mạng tính toán tối ưu hiệu năng mạng.
Module khả dụng: cho phép ứng dụng chỉ rõ các tham số QoS giám sát và
phản hồi để nhận ra hiệu năng cần thiết.
Module quản lý QoS: so sánh mức QoS kiểm tra với hiệu năng mong muốn và
điều khiển tối ưu để đưa ra mức chất lượng dịch vụ. Ngoài ra, nó còn đảm trách
các vấn đề liên quan tới xử lý và khôi phục lỗi trên liên kết và các nút.
Module phân mức QoS: gồm các phép đo để gia tăng sự phân mức cho kiến
trúc QoS, các thành phần trong module như bộ lọc QoS, tập hợp và kiến
trúc phân lớp QoS.
1.4 KẾT LUẬN
Trong chương này của luận văn tôi giới thiệu về khái niệm QoS, các vấn đề cơ
bản và chung nhất về QoS bao gồm: các thành phần thực hiện QoS cũng như các mức
QoS end-to-end, các tham số để đánh giá chất lượng dịch vụ QoS như băng thông, độ
trễ, biến thiên trễ… và các yêu cầu chung nhất để đảm bảo QoS. Khung làm việc
chung của chất lượng dịch vụ được trình bày cùng với một số quan điểm nhìn nhận của
các tổ chức viễn thông lớn trên thế giới.
30
Chương 2 ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO
MẠNG IP
Khi công nghệ chuyển mạch gói IP là phương thức duy nhất cho mạng Internet
toàn cầu như hiện nay, các giải pháp của ngành Công nghệ - Viễn thông đã và đang
được phát triển, ứng dụng thử nghiệm trong thời gian gần đây hướng tới mục đích phát
triển các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP.
Mạng IP ở đây là các mạng dữ liệu sử dụng bộ giao thức TCP/IP, hoạt động
dựa trên nguyên lý chuyển mạch gói. Dữ liệu được truyền tải dưới dạng các gói IP ở
tầng mạng (Network Layer).
Mạng IP có tính chất chuyển mạch không kết nối, tức là không có sự chiếm giữ
đường truyền cố định dẫn đến việc đảm bảo chất lượng đường truyền trở nên không
đơn giản. Mạng Internet hiện nay cung cấp dịch vụ trên cơ sở phục vụ theo khả năng
tối đa (Best-Effort), tức là mạng chủ sẽ thực hiện những khả năng tốt nhất của mình
mà không có bất cứ một cam kết nào từ phía nhà khai thác về chất lượng dịch vụ. Đây
chính là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy nghiên cứu mạnh mẽ về QoS IP trong những
năm gần đây.[1] – [8]
2.1 GIAO THỨC LIÊN MẠNG (IP – INTERNET PROTOCOL)
Việc mở rộng phạm vi ứng dụng của giao thức TCP/IP hình thành lên các loại
mạng IP như: mạng Internet toàn cầu, mạng Intranet, mạng riêng ảo dùng giao thức IP
(IP VPN)… TCP/IP là một bộ giao thức trong đó IP là giao thức chủ chốt cung cấp
khả năng kết nối các mạng con thành liên mạng để truyền thông tin. Việc truyền thông
tin trong mạng IP tồn tại dưới ba hình thức: Unicast, multicast và broadcast. Vai trò
của IP tương tự như tầng mạng trong mô hình ISO:
SMTP, Telnet, FTP, Gopher
Applications
Transport
TCP
IP
UDP
ICMP
ARP RARP
Internetwork
Ethenet, Token-ring, FDDI, X.25, Wireless, Async, ATM, ,…
Network interface
and Hardware
Hình 2.1. Chồng giao thức TCP/IP
Nhiệm vụ chính của IP là phân phát gói theo kiểu không kết nối
(connectionless) và phân mảnh hoặc tái tạo các gói (datagram) để phù hợp với kích
thước đơn vị truyền dẫn tối đa MTU (Maximum Transmission Unit) của tầng liên kết
31
dữ liệu ở dưới. Giao thức IP có tính phổ biến rộng khắp do nó thích ứng với mọi loại
giao thức ở hai tầng dưới.
2.1.1 Phần tiêu đề gói IP
IP là giao thức cung cấp dịch vụ truyền thông theo kiểu “không kết nối”.
Phương thức kết nối "không kết nối" cho phép thiết kế và thực hiện giao thức trao đổi
dữ liệu đơn giản. Cũng chính vì vậy độ tin cậy trao đổi dữ liệu của loại giao thức này
không cao.
Các gói dữ liệu IP được định nghĩa là các datagram. Mỗi datagram có phần tiêu
đề (header) chứa các thông tin cần thiết để chuyển dữ liệu. Thông tin tiêu đề cần thiết
để hiểu IP Precedence và các thông số QoS. Tiêu đề gói IP như sau:
Hình 2.2. Khuôn dạng phần tiêu đề gói IP
Vers (4-bit): Chỉ phiên bản hiện hành của IP được sử dụng. Với IP thông
thường là IPv4 trên mạng, thế hệ IP tiếp theo là IPv6.
Length (4-bit): Chỉ độ dài của phần tiêu đề gói IP tính theo đơn vị 32bit.
Precedence (3-bit): Chỉ thị quyền ưu tiên gửi gói IP, trường này có giá trị từ 0
(mức ưu tiên bình thường) tới 7 (mức kiểm soát mạng) quy định việc gửi datagram.
Precedence
D
T
R
unused
D (delay) (1 bit) – Chỉ độ trễ yêu cầu: D = 1 khi yêu cầu trễ thấp, D = 0 khi
độ trễ bình thường
T (throughput) (1 bit) – chỉ số thông lượng yêu cầu: T = 1 thông lượng cao,
T = 0 thông lượng bình thường
R (reliability) (1 bit) – chỉ độ tin cậy yêu cầu: R = 1 độ tin cậy cao, R = 0 độ
tin cậy bình thường.
Type of Service (ToS ) (8-bit): Kiểu dịch vụ. Là chỉ số chất lượng dịch vụ yêu
cầu cho IP datagram, tuy nhiên mạng IP phải có các cơ chế hỗ trợ thì yêu cầu mới
được thực hiện. Trường này bao gồm những thông tin sau:
Total Length (16-bit): xác định độ dài của gói IP gồm cả phần dữ liệu và phần
tiêu đề.
Tải về để xem bản đầy đủ
89 trang
18/05/2025
70
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên mạng IP, đánh giá và so sánh hiệu quả đảm bảo QoS của Diffserv và Intserv", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_giai_phap_dam_bao_chat_luong_dich_vu_tren_mang_ip_d.pdf
