BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

VẤN ĐỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG THẾ HỆ MỚI VÀ TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG TRÊN

HẠ TẦNG MẠNG CỦA CÔNG TY SPT

NGUYẾN VĂN NGOAN

HÀ NỘI 2006

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC ...........................................................................................1 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..........................................6 DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................12 LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................14 CHƯƠNG 1. MẠNG THẾ HỆ MỚI .....................................................16

1.1 Khái niệm.................................................................................16 1.2 Các đặc điểm của mạng NGN .....................................................17 1.3 Kiến trúc dịch vụ của mạng thế hệ mới ........................................18 1.4 Các tham số đánh giá chất lượng mạng ........................................22

1.4.1 Băng thông .......................................................................23 1.4.2 Trễ ..................................................................................23 1.4.3 Trượt ...............................................................................24 1.4.4 Mất gói .............................................................................25

CHƯƠNG 2. CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) .....................................25 2.1 Khái niệm.................................................................................26 2.2 Các kỹ thuật QoS ......................................................................26

2.2.1 Mô hình dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort) .........................28 2.2.2 Dịch vụ tích hợp (Integrated Service) ..................................28

2.2.2.1 Dịch vụ đảm bảo GS (Guaranteed Service) .....................30 2.2.2.2 Dịch vụ kiểm soát tải CL (Controlled Load)....................30 2.2.2.3 Kết luận .....................................................................30

2.2.3 Mô hình Differentiated Service ............................................31 2.2.3.1 Trường DS của DiffServ ..............................................32 2.2.3.2 Per-hop Behavior trong DiffServ ...................................32

2

2.2.3.3 Các cơ chế DiffServ.....................................................36 2.2.3.4 Ưu nhược điểm của mô hình DiffServ ...........................37 2.2.3.5 Kết luận về DiffServ....................................................38

2.2.4 So sánh 2 mô hình kiến trúc QoS chính ................................39 2.3 Các giao thức báo hiệu trong kỹ thuật QoS....................................39

2.3.1 Giao thức dành sẵn tài nguyên .............................................40 2.3.2 Mô hình RSVP end-to-end ..................................................42

CHƯƠNG 3. PHÂN LOẠI, PHÂN MẢNH .............................................. VÀ NÉN GÓI DỮ LIỆU TRONG KỸ THUẬT QoS ...............................44

3.1 Phân loại gói dữ liệu ..................................................................44 3.1.1 Quyền ưu tiên IP ...............................................................45 3.1.2 Định tuyến chính sách (PBR) ..............................................47

3.1.2.1 Đặc điểm của PBR ......................................................47 3.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động ..................................................47

3.2 Phân mảnh gói dữ liệu (MLP) .....................................................48 3.2.1 Các đặc tính phân mảnh dữ liệu............................................48 3.2.2 Nguyên lý hoạt động...........................................................49

3.3 Các giải thuật nén tải tin .............................................................50 3.3.1 Nguyên tắc hoạt động .........................................................50 3.3.2 Nén tiêu đề ........................................................................52

3.3.2.1 Nén tiêu đề TCP..........................................................53 3.3.2.2 Nén tiêu đề giao thức thời gian thực (RTP) .....................53

CHƯƠNG 4. KỸ THUẬT QoS TRONG ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN .....56 4.1 Tránh tắc nghẽn.........................................................................56

4.1.1 Phương pháp bỏ đuôi ..........................................................57 4.1.2 Phương pháp loại bỏ ngẫu nhiên...........................................58 4.1.3 Phương pháp loại bỏ cân bằng ngẫu nhiên .............................59

3

4.1.4 Tốc độ truy nhập cam kết ....................................................61 4.1.4.1 Cơ chế hoạt động ........................................................61 4.1.4.2 Các chức năng của CAR...............................................62 4.1.4.3 Mô hình chiếc thùng và thẻ bài......................................64

4.1.5 Sửa dạng lưu lượng (GTS)...................................................65 4.1.5.1 Đặc điểm của GTS ......................................................65 4.1.5.2 Cơ chế hoạt động của GTS ...........................................66 4.1.5.3 Kết luận .....................................................................67

4.2 Điều khiển tắc nghẽn............................................................................ 68

4.2.1 Hàng đợi vào trước ra trước (FIFO) ......................................69 4.2.1.1 Các ưu nhược điểm của hàng đợi FIFO ..........................69 4.2.1.2 Cấu hình FIFO............................................................70

4.2.2 Hàng đợi tuần tự (CQ) ........................................................71 4.2.2.1 Cơ chế hoạt động ........................................................71 4.2.2.2 Những ưu nhược điểm của hàng đợi CQ.........................75 4.2.2.3 Cấu hình thực thi hàng đợi CQ ......................................75

4.2.3 Hàng đợi ưu tiên (PQ).........................................................77 4.2.3.1 Cơ chế hoạt động ........................................................77 4.2.3.2 Những ưu nhược điểm của hàng đợi PQ .........................78 4.2.3.3 Cấu hình thực thi hàng đợi ưu tiên .................................78 4.2.3.4 Kết luận .....................................................................80

4.2.4 Hàng đợi cân bằng trọng số (WPQ).......................................81 4.2.4.1 Cơ chế hoạt động ........................................................81 4.2.4.2 Hàng đợi cân bằng trọng số phân loại lưu lượng ..............82 4.2.4.3 Hàng đợi cân bằng trọng số phân lớp lưu lượng...............84 4.2.4.4 Hàng đợi cân bằng trọng số tốc độ cao ...........................85 4.2.4.5 Các ưu nhược điểm của hàng đợi WFQ ..........................87

4

4.2.4.6 Cấu hình thực thi WFQ ................................................87 CHƯƠNG 5. KỸ THUẬT QoS TRONG MẠNG IP/MPLS .....................89

5.1 Cơ sở .......................................................................................89 5.2 Định nghĩa chuyển mạch nhãn (MPLS) ........................................90

5.2.1 Chuyển mạch nhãn là gì?.....................................................90 5.2.2 Ưu điểm của kỹ thuật MPLS................................................90

5.3 Kiến trúc MPLS ........................................................................91 5.3.1 Cấu trúc khối .....................................................................91 5.3.2 Một số khái niệm trong chuyển mạch nhãn ............................92

5.3.2.1 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)..............................92 5.3.2.2 Router chuyển mạch nhãn (LSR) ...................................92 5.3.2.3 Giao thức phân phối nhãn.............................................94 5.3.2.4 Tuyến đường chuyển mạch nhãn ...................................95

5.4 Thực hiện cơ chế QoS trong mạng MPLS .....................................95 5.4.1 Cấu trúc trường MPLS EXP trong gói IP được gán nhãn..........96 5.4.2 Gán nhãn tại biên mạng.......................................................98 5.4.3 Chuyển tiếp gói MPLS........................................................99

5.5 Kết luận ...................................................................................99 CHƯƠNG 6. PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI MPLS QoS ............................ TRÊN HẠ TẦNG MẠNG CỦA CÔNG TY SPT .................................. 100

6.1 Hạ tầng mạng IP của công ty SPT.............................................. 100 6.2 Phương án triển khai ................................................................ 101

6.2.1 Chia sẻ băng thông kênh liên tỉnh ....................................... 101 6.2.1.1 Chính sách định tuyến................................................ 104 6.2.1.2 Địa chỉ IP cho các router ............................................ 105 6.2.1.3 QoS và phân lớp dịch vụ (CoS) .................................. 106

6.2.2 Tích hợp dịch vụ .............................................................. 106

5

6.3 Cấu hình triển khai MPLS QoS trên mạng SPT............................ 107 6.4 Kết luận ................................................................................. 109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 112

6

DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

A

API Application Program Interface

ARQ Admission Request

ATM Asynchronous Transfer Mode

AF Assured forwarding

ASN Autonomous System Number

B

BGP Border Gateway Protocol

BA Behavior Aggregate

C

CAR Commited Access Rate

CPE Customer Premise Equipment

CIR Committed Information Rate

CATV Community Antenna Television

cRTP compressed Real-time Transport Protocol

CQ Custom Queuing

CBWFQ Class-Based Weighted Fair Queuing

CL Controlled Load

CS Class – Selector

CPU Central Processing Unit

CDT Congestive Discard Threshold

D

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

DWFQ Distributed Weighted Fair Queuing

DiffServe Differentiated Service

7

DSCP Differentiated Service Code Point

DoS Denial of Service

E

Edge-LSR Edge Label Switching Router

EXP Experimental Field

EF Expedited Forwaring

F

FIFO First In First Out

FEC Forwarding Equivalence Class

FTP File Transfer Protocol

FBWFQ Flow- Based WFQ

G

GRE Generic Route Encapsulation

GSM Global System for Mobile Communications

GTS Generic Traffic Shaping

GS Guaranteed Service

H

HTML Hyper Text Mark Language

HDLC Hyper level Data Link Control

HQO Hold-queue

I

IPH IP Header

IETF Interrnet Engineering Task Force

IGP Interior Gateway Protocol

IS-IS Intermediate System - Intermediate System

ISP Internet Service Provider

IXP Internet Exchange Point

8

ISDN Integrated Services Digital Network

IP MTU IP Maximum Transfer Unit

ITU-T International Telecommunication Union -

Telecommunication standardization sector

IntServ Integrated Service

L

LDP Label Distribution Protocol

LFIB Label Forwarding Information Base

LIB Label Information Base

LSP Label Switching Path

LSR Label Switching Router

LFI Link Fragmentation and Interleaving

LZ (LZV) Lempel – Ziv

LAPB Link Access Procedure Balanced

M

MPLS Multi Protocol Label Switching

MP-BGP Multiprotocol BGP

MP_REACH_NLRI Multiprotocol Reachable NLRI

MP_UNREACH_NLRI Multiprotocol Unreachable NLRI

MTU Maximum Transfer Unit

MCML PPP Multi- Class Multilink Point-to-Point Protocol

MLP Multiling PPP

MPPC Microsoft Point – to – point Compression

MAC Medium Access Control

N

NH Next Hop

NLRI Network Layer Reachability Information

9

O

OSPF Open Shortest Path First

P

PSTN Public Switched Telephone Network

PE Provider Edge

POP Point Of Presence

PVC Permanent Virtual Circuit

PLMN Public Land Mobile Network

PDH Plesiochronous Digital Hierarchy

PQ Priority Queuing

POS Packet over SONET

PHB Per-hop behavior

PPP Point – to – Point Protocol

R

RPT Resilient Packet Transport

RFC Request for Comment

RSVP Resource Reservation Protocol

RESV Reservation request

RTP Real-time Transport Protocol

RIP

S

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SMTP Simple Mail Transfer Protocol

SS7 Signalling System No 7

SVC Switched virtual circuit

SONET Synchronous Optical Network

SLA Service Level Agreement

10

STAC Stacker

SQL Structured Query Language

T

TCP Transmission Control Protocol

TDM Time Division Multiplex

TTL Time-to-Live

TAC Technical Assistance Center

U

UDP User Datagram Protocol

V

VC Virtual Circuit

VPN Virtual Private Network

VRF VPN Routing and Forwarding

VoIP Voice over IP

VIP Versatile Interface Processor

Vd Ví dụ

W

WDM Wavelength Division Multiplexing

WFQ Weighted Fair Queing

WAN Wide Area Network

WRED Weighted random early Drop/Detect

WRR Weighted Round Robin

11

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 So sánh công nghệ mạng hiện tại và tương lai ........................... 22 Bảng 1-2 Thống kê các loại trễ từ đầu cuối đến đầu cuối .......................... 25 Bảng 2-1 Giá trị IP Precedence và DSCP trong các PHB .......................... 35 Bảng 2-2 So sánh đặc điểm cơ bản của hai mô hình QoS .......................... 39 Bảng 3-1 Giá trị IP Precedence tương ứng với 3 bits ToS ............................. 46

Bảng 3-2 Phạm vi sử dụng của các giải thuật nén..................................... 51 Bảng 3-3 Hiệu quả nén tiêu đề TCP ...................................................... 53 Bảng 5-1 Chức năng của các kiểu LSR................................................... 94 Bảng 5-2 Mô tả mối liên hệ giữa giá trị IP DSCP và MPLS EXP ..............97 Bảng 6-1 Thống kê chính sách QoS ............................................................ 107

12

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Nhu cầu tiến hóa mạng..................................................................... 19

Hình 1.2 Chiến lược phát triển........................................................................ 20

Hình 1.3 Sự hội tụ giữa các mạng................................................................... 21

Hình 1.4 Băng thông trong mạng đa truy nhập............................................... 23

Hình 1.5 Một ví dụ về trễ mạng...................................................................... 24

Hình 2.1 Các kỹ thuật QoS trong mạng IP ..................................................... 27

Hình 2.2 Mô hình dịch vụ IntServ ................................................................ 29

Hình 2.3 Sơ đồ khối kiến trúc DiffServ .......................................................... 32

Hình 2.4 Mô tả cấu trúc bit trong trường DSCP............................................. 34

Hình 2.5 Sơ đồ cơ chế phân loại và điều hoà lưu lượng................................. 36

Hình 2.6 Mô hình mạng đầu cuối đến đầu cuối với RSVP ............................ 42

Hình 2.7 Mô hình mạng đầu cuối đến đầu cuối non-RSVP ........................... 43

Hình 3.1 Mô tả trường ToS trong gói IP......................................................... 45

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của LFI ......................................................... 49

Hình 3.3 Minh họa quá trình thực hiện thuật toán nén ................................... 51

Hình 3.4 Minh họa thuật toán nén tiêu đề....................................................... 52

Hình 3.5 Minh họa hiệu quả nén TCP ............................................................ 53

Hình 3.6 Cơ chế nén tiêu đề RTP ................................................................... 54

Hình 4.1 Thuật toán RED ............................................................................... 58

Hình 4.2 Cơ chế hoạt động của WRED .......................................................... 60

Hình 4.3 Sơ đồ khối của CAR ........................................................................ 62

Hình 4.4 Lưu đồ chức năng của CAR............................................................. 63

Hình 4.5 Mô hình chiếc thùng và thẻ bài........................................................ 64

Hình 4.6 Sơ đồ các khối chức năng của GTS ................................................. 67

Hình 4.8 Ví dụ cấu hình hàng đợi FIFO ......................................................... 70

13

Hình 4.9 Cơ chế hoạt động của CQ ................................................................ 72

Hình 4.10 Một trường hợp xấu nhất xảy ra đối với hàng đợi CQ .................. 73

Hình 4.11 Minh họa tính toán băng thông và độ trễ tối đa ............................. 73

Hình 4.12 Ví dụ cấu hình hàng đợi CQ .......................................................... 76

Hình 4.13 Cơ chế hoạt động của PQ............................................................... 77

Hình 4.14 Một Ví dụ cấu hình hàng đợi PQ ................................................... 80

Hình 4.15 Cơ chế hoạt động của WFQ........................................................... 82

Hình 4.16 Sự phân lớp WFQ dựa trên tiêu đề gói tin..................................... 85

Hình 5.1 Mạng IP chạy trên mạng trục ATM................................................. 89

Hình 5.2 Kiến trúc cơ bản của một node MPLS chạy trên nền IP.................. 91

Hình 5.3 Kiến trúc của Edge-LSR .................................................................. 93

Hình 5.4 Cấu trúc nhãn (label)........................................................................ 97

Hình 5.5 Gán nhãn và chuyển tiếp gói tin trong mạng MPLS ....................... 99

Hình 6.1 Sơ đồ mạng kết nối HNI – HPG của SPT ..................................... 101

Hình 6.2 Cấu trúc phân lớp mạng SPT ......................................................... 102

Hình 6.3 Mạng IP tích hợp nhiều kỹ thuật chuyển mạch khác nhau............ 104

14

LỜI NÓI ĐẦU

Môi trường kinh doanh ngày càng mang tính cạnh tranh và phức tạp hơn

bao giờ hết. Trong đó chất lượng dịch vụ là chìa khoá để có thể dẫn tới thành

công. Song song với xu thế này, công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin

phát triển cũng có nhiều ảnh hưởng đến mạng viễn thông, đòi hỏi mạng viễn

thông phải hội tụ được nhiều loại hình dịch vụ khác nhau. Để đáp ứng các yêu

cầu này, một số nhà sản xuất thiết bị viễn thông và một số tổ chức nghiên cứu

về viễn thông đã đưa ra các ý tưởng và mô hình về cấu trúc mạng thế hệ mới

(Next Generation Network – NGN).

NGN không phải là mạng hoàn toàn mới, mạng này dựa trên cơ sở chuyển

mạch và truyền dẫn gói IP và hướng tới là MPLS. Tuy nhiên bên cạnh những

ưu thế nổi bật, một yêu cầu đặt ra đối với mạng NGN là đảm bảo chất lượng

truyền tải âm thanh và dữ liệu. Đây thực sự là một thách thức khó khăn về

mặt công nghệ, vì các dịch vụ khác nhau có các yêu cầu về chất lượng dịch vụ

khác nhau. Do vậy song song với tiến trình xây dựng mạng NGN thì việc

triển khai các kỹ thuật QoS cũng phải được thực thi đồng thời nhằm đảm bảo

các yêu cầu mà dịch vụ đưa ra.

Luận văn tốt nghiệp cao học của tôi là “Vấn đề chất lượng dịch vụ trong

mạng thế hệ mới và triển khai ứng dụng trên hạ tầng mạng của công ty SPT”

Nội dung gồm 6 chương:

Chương 1 – Mạng thế hệ mới (NGN).

Giới thiệu tổng quan về mạng thế hệ mới. Tác giả phân tích xu thế phát

triển của mạng viễn thông ngày nay. Các đặc điểm về dịch vụ, công nghệ và

kiến trúc mạng NGN triển khai trên hạ tầng các mạng riêng lẻ có sẵn. Phân

tích các tham số đánh giá chất lượng dịch vụ mạng và những yêu cầu cần

được giải quyết.

15

Chương 2 – Chất lượng dịch vụ (QoS).

Phân tích những yêu cầu cần thiết phải triển khai QoS trong mạng NGN,

các khái niệm, các kỹ thuật triền khai và các giao thức báo hiệu trong QoS.

Chương 3 – Phân loại, phân mảnh và nén gói dữ liệu trong kỹ thuật QoS.

Phân tích các cơ chế phân loại, phân mảnh và nén gói dữ liệu trong kỹ

thuật QoS. Các ưu, nhược điểm của những cơ chế này trong việc góp phần

nâng cao chất lượng dịch vụ.

Chương 4 – Kỹ thuật QoS trong phòng tránh và điều khiển tắc nghẽn.

Phân tích các cơ chế hàng đợi và các cơ chế loại bỏ gói dữ liệu, cũng như

ảnh hưởng của các cơ chế đó như thế nào trong việc đảm bảo QoS.

Chương 5 – Kỹ thuật QoS trong mạng IP/MPLS.

Phân tích những mặt hạn chế của công nghệ IP và miêu tả kiến trúc của

chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS. Giới thiệu cách thực hiện MPLS QoS

Chương 6 – Đề xuất phương án triển khai MPLS QoS.

Phân tích các giải pháp xây dựng mạng MPLS QoS trên cơ sở hạ tầng

mạng của công ty SPT để giải quyết một yêu cầu cụ thể.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô bạn bè và đồng nghiệp đã tận tình

giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin đặc biệt chân

thành cảm ơn thầy giáo GSTS. Nguyễn Thúc Hải đã nhiệt tình hướng dẫn và

chỉ bảo để tôi hoàn thành bản luận văn này.

Do thời gian nghiên cứu có hạn, nên bản luận văn chắc chắn không tránh

khỏi sơ suất cả về nội dung và hình thức. Kính mong nhận được sự góp ý của

thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp.

Hà Nội, tháng 11 năm 2006

NGƯỜI THỰC HIỆN

KS. Nguyễn Văn Ngoan

16

CHƯƠNG 1 MẠNG THẾ HỆ MỚI (NGN)

Trong những năm gần đây, công nghệ mạng và các dịch vụ viễn thông

phát triển hết sức nhanh chóng, trong đó lưu lượng các dịch vụ dữ liệu đã

vượt qua lưu lượng thoại. Sự phát triển nhanh của các dịch vụ dữ liệu đòi hỏi

có một sự chuyển biến trong việc xây dựng, quản lý và khai thác mạng. Có

thể nói sự ra đời của mạng thế hệ mới NGN (Next Generation Network) sẽ

thoả mãn được yêu cầu tăng trưởng nhanh của lưu lượng dữ liệu và cả lưu

lượng thoại trong thời gian tới. Trong chương này tác giả sẽ phân tích tổng

quan về các đặc điểm và kiến trúc mạng NGN cũng như các tham số đánh giá

chất lượng dịch vụ mạng.

1.1 Khái niệm

Cho tới nay, đã có rất nhiều các tổ chức viễn thông quốc tế cũng như các

nhà cung cấp thiết bị viễn thông trên thế giới đều quan tâm và nghiên cứu về

chiến lược phát triển mạng NGN nhưng vẫn chưa có một định nghĩa chính

xác và thống nhất nào cho mạng NGN. Sau đây là những khái niệm tương đối

chung nhất khi đề cập đến NGN

Mạng hội tụ (hỗ trợ cho cả lưu lượng thoại và dữ liệu, cấu trúc mạng

hội tụ).

Mạng phân phối (phân phối tính thông minh cho mọi phần tử trong

mạng).

Mạng đa dịch vụ (cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau).

Mạng nhiều lớp (mạng được phân phối ra nhiều lớp mạng có chức năng

độc lập nhưng hỗ trợ nhau thay vì một khối thống nhất như trong mạng

TDM - Time Division Multiplex).

17

1.2 Các đặc điểm của mạng NGN

Sự phát triển của các dịch vụ truyền thông hiện nay sẽ hướng đến việc các

nhà cung cấp dịch vụ sẽ phải có sự mềm dẻo để có thể phục vụ được cả thị

trường lớn và nhỏ. Các quyết định về việc cung cấp dịch vụ của họ có thể có

nhiều vấn đề phải quyết như giá cả, việc đóng gói, tiếp thị và sự thuận tiện

như là các dịch vụ thực tế họ cung cấp. Khi có nhiều phương tiện truyền tin,

nhà cung cấp dịch vụ, nhà cung cấp thiết bị và các doanh nghiệp thương mại

khác, tất cả phối hợp để cung cấp các dịch vụ cho người sử dụng.

Dưới đây là trình bày một số đặc trưng dịch vụ quan trọng trong môi trường

NGN:

Liên lạc thông tin rộng khắp, thời gian thực, đa phương tiện - đảm bảo

độ tin cậy, thân thiện trong việc liên kết mọi người, truy nhập tốc độ

cao và truyền tải thông tin với bất kỳ phương tiện nào, bất kỳ thời gian

nào, bất kỳ đâu, và trong bất kỳ kích cỡ nào.

Sử dụng công nghệ chuyển mạch mềm (SoftSwitch) thay thế các thiết

bị tổng đài chuyển mạch phần cứng cồng kềnh. Các mạng của từng

dịch vụ riêng rẽ được kết nối với nhau thông qua sự điều khiển của một

thiết bị tổng đài duy nhất, thiết bị tổng đài này dựa trên công nghệ

chuyển mạch mềm.

Nhiều mạng thông minh (network intelligence) được phân bố trên toàn

mạng. Nó bao gồm các ứng dụng cho phép truy nhập và điều khiển các

dịch vụ mạng độc lập với lớp truyền tải và lớp truy nhập của mạng

thông qua cổng giao diện lập trình ứng dụng (API - Application

Program Interface). Nó cũng có thể thực hiện các chức năng cụ thể thay

mặt cho nhà cung cấp dịch vụ hoặc mạng. Ta có thể hiểu nó như một

tác tử quản lý (management agents) mà nó có thể giám sát tài nguyên

18

mạng, tập hợp các số liệu hay sử dụng, cung cấp việc gỡ rối, hoặc môi

giới các dịch vụ mới từ các nhà cung cấp khác,.…

Dễ dàng sử dụng. Đó là việc làm trong suốt đối với người sử dụng về

tính phức tạp của thu thập, xử lý, chế tạo và truyền thông tin. Nó cho

phép dễ dàng sử dụng và truy nhập các dịch vụ mạng, bao gồm giao

diện người sử dụng cho phép tương tác giữa người và mạng một cách

tự nhiên, cung cấp các thông tin, trợ giúp, lựa chọn động theo ngữ cảnh

(nhạy ngữ cảnh), quản lý một cách trong suốt các tương tác đa dịch vụ,

cung cấp các menu khác nhau cho những người chưa có kinh nghiệm

ngược lại với những người đã có kinh nghiệm, và cung cấp môi trường

thống nhất cho tất cả các dạng truyền thông.

Quản lý và chế tạo các dịch vụ cá nhân: Nó bao gồm khả năng của

người sử dụng để quản lý các thông tin cá nhân của họ, các dịch vụ

mạng cung cấp, giám sát thông tin sử dụng và tính cước.

Quản lý thông tin thông minh: Nó giúp người sử dụng quản lý tình

trạng quá tải thông tin bằng việc đưa khả năng tìm kiếm, sắp xếp, và

lọc các bản tin hoặc dữ liệu.

1.3 Kiến trúc dịch vụ của mạng thế hệ mới

Mạng thế hệ mới ra đời cùng với việc tái kiến trúc mạng, tận dụng tất cả

các ưu thế về công nghệ tiên tiến để phát triển, kiến trúc mạng NGN dựa trên

mạng chuyển mạch gói và cung cấp nhiều dịch vụ mới.

Mạng thế hệ sau được tổ chức dựa trên các nguyên tắc cơ bản sau:

Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú,

đa dạng, đa dịch vụ, đa phương tiện.

Mạng có cấu trúc đơn giản.

Nâng cao hiệu quả sử dụng chất lượng mạng lưới và giảm thiểu chi phí

khai thác và bảo dưỡng.

19

Dễ dàng mở rộng dung lượng, phát triển các dịch vụ mới.

Độ linh hoạt và tính sẵn sàng cao của mạng.

Sau đây chúng ta xem xét quá trình tiến hóa về cấu trúc từ mạng hiện có

lên cấu trúc mạng NGN hình 1.1

Hình 1.1 Nhu cầu tiến hóa mạng

Như hình vẽ 1.1, chúng ta nhận thấy mạng viễn thông hiện tại gồm nhiều

mạng riêng lẻ kết hợp lại với nhau thành một mạng “hỗn hợp”, chỉ được xây

dựng ở cấp quốc gia, nhằm đáp ứng được nhiều loại dịch vụ khác nhau. Ví dụ

xét mạng Internet, đó là một mạng đơn lớn, có tính chất toàn cầu, thường

được đề cập theo một loạt các giao thức truyền dẫn hơn là theo một kiến trúc

đặc trưng. Internet hiện tại không hỗ trợ QoS cũng như các dịch vụ có tính

thời gian thực (như thoại truyền thống).

Do đó, việc xây dựng mạng thế hệ mới NGN cần tuân theo các chỉ tiêu:

NGN phải có khả năng hỗ trợ cả cho các dịch vụ của mạng Internet và

của mạng hiện hành.

20

Một kiến trúc NGN khả thi phải hỗ trợ dịch qua nhiều nhà cung cấp

khác nhau. Mỗi nhà cung cấp mạng hay dịch vụ là một thực thể riêng lẻ

với mục tiêu kinh doanh và cung cấp dịch vụ khác nhau, và có thể sử

dụng những kỹ thuật và giao thức khác nhau, nhưng tất cả đều phải

được truyền qua mạng một cách thông suốt từ đầu cuối đến đầu cuối.

Một mạng tương lai phải hỗ trợ tất cả các loại kết nối, thiết lập đường

truyền trong suốt cả cho hữu tuyến cũng như vô tuyến. Vì vậy, mạng

NGN sẽ tiến hóa lên từ mạng truyền dẫn hiện tại (phát triển thêm

chuyển mạch gói) và từ mạng Internet công cộng (hỗ trợ thêm chất

lượng dịch vụ QoS). Chiến lược phát triển mạng xem hình 1.2

Hình 1.2 Chiến lược phát triển

Để thực hiện việc chuyển dịch một cách thuận lợi từ mạng viễn thông hiện

có sang mạng thế hệ mới, việc chuyển dịch phải phân ra làm ba mức (kể cả

kết nối và chuyển mạch).

Thứ nhất là chuyển dịch ở lớp truy nhập và truyền dẫn. Hai lớp này bao

gồm lớp vật lý, lớp 2 và lớp 3 nếu chọn công nghệ IP làm nền cho mạng thế

hệ mới. Trong đó:

21

Công nghệ ghép kênh bước sóng quang DWDM sẽ chiếm lĩnh ở lớp vật

lý.

IP/MPLS làm nền cho lớp 3

Công nghệ ở lớp 2 phải thỏa mãn các điều kiện như: Đơn giản, tối ưu

hóa truyền tải gói dữ liệu, có khả năng giám sát chất lượng, giám sát lỗi

và bảo vệ, khôi phục mạng khi có sự cố. Hiện tại công nghệ RPT

(Resilient Packet Transport) đang phát triển nhằm đáp ứng các chỉ tiêu

này.

Thứ 2 là chuyển dịch mạng đường dài (mạng truyền dẫn): Tín hiệu từ các

cổng trung kế tích hợp hoặc độc lập được chuyển đến mạng IP hoặc ATM

(Asynchronous Transfer Mode), rồi sử dụng chuyển mạch mềm để điều khiển

luồng và cung cấp dịch vụ. Sử dụng phương thức này có thể giải quyết được

vấn đề tắc nghẽn trong chuyển mạch kênh (Xem hình 1.3).

Content Mạng lõi IP

CATVWirelineAccess

WirelessAccess

CableAccess

`

Hiện tại các mạng dịch vụ riêng lẻ Tương lai mạng đa dịch vụ

Media Gateway

Các mạng truy nhập, truyền dẫn, chuyển mạch riêng lẻ Liên mạng trên cơ sở IP

CellularPLMN

PSTN/ISDN Data/IP

Network

Điều khiển và quản lý các dịch vụ truy nhập

Dịch vụ

Hình 1.3 Sự hội tụ giữa các mạng

22

Bảng 1-1 dưới đây so sánh công nghệ mạng hiện tại và tương lai

Thành phần mạng Công nghệ hiện tại Công nghệ tương lai

Cáp xoắn băng hẹp Cáp xoắn băng hẹp

Truyền hình cáp số

và tương tự chuyên

dụng

Truyền hình cáp số

và tương tự chuyên

dụng

GSM không dây GSM không dây

Cáp quang Cáp quang

Cáp xoắn băng rộng

Modem cáp

IP qua vệ tinh

Mạng truy nhập

Ethernet

Tổng đài PSTN Định tuyến IP

Chuyển mạch ATM Chuyển mạch quang

Chuyển mạch Frame

Relay

Chuyển mạch và định

tuyến

Định tuyến IP

PDH DWDM Mạng truyền dẫn

đường trục SDH

Bảng 1-1 So sánh công nghệ mạng hiện tại và tương lai

1.4 Các tham số đánh giá chất lượng mạng

Như đã phân tích ở trên, mạng NGN là mạng hạ tầng thông tin dựa trên

công nghệ chuyển mạch gói, nên việc đánh giá chất lượng mạng chủ yếu dựa

trên 4 tham số cơ bản là: băng thông, độ trễ gói, trượt (jitter) và tỉ lệ mất gói.

23

1.4.1 Băng thông

Thuật ngữ băng thông được sử dụng để chỉ khả năng truyền một lượng dữ

liệu của một giao thức, phương tiện hoặc của một kết nối. Nói chung, kết nối

của các dịch vụ được đảm bảo sẽ có các yêu cầu đối với mạng để cấp phát

một lượng băng thông tối thiểu.

Ví dụ một mạng có kiến trúc đa truy nhập ví dụ như Frame Relay, ATM.

Băng thông thực tế đạt được dựa trên thỏa thuận kết nối dịch vụ giữa nhà

cung cấp với khách hàng hay giữa các nhà cung cấp khác nhau.

Hình 1.4 Băng thông trong mạng đa truy nhập

Có vẻ như cách tốt nhất để giải quyết vấn đề băng thông là dành càng

nhiều băng thông cho các kết nối càng tốt. Tuy nhiên thực tế để tăng băng

thông, ngoài chi phí phát triển mạng lưới còn phát sinh các vấn đề trễ như

trong các mạng hội tụ nhiều dịch vụ.

1.4.2 Trễ

Tất cả các gói tin trong mạng đều trải qua một vài khoảng trễ nhất định

trước khi tới được đích, hay nói cách khác trễ có rất nhiều loại, ở đây chỉ nêu

ra một số loại cơ bản sau:

Trễ lan truyền (Propagation Delay): Được định nghĩa là khoảng thời

gian cần thiết để truyền 1 bit thông tin từ nơi gửi đến đích trên một liên

kết môi trường vật lý.

Trễ mạng (Network Delay): Đây là thời gian để một thiết bị nhận và

chuyển một gói đi. Khoảng thời gian này thường nhỏ hơn sµ10 . Tất cả

24

các gói trong một luồng không có cùng độ trễ trong mạng. Độ trễ của

mỗi gói biến đổi tuỳ theo điều kiện của từng chặng trên mạng. Nếu

mạng không bị tắc nghẽn, các router sẽ không cần có hàng đợi, do đó

trễ chuyển gói sẽ không còn. Điều này làm giảm rất nhiều độ trễ gói

trong mạng. Nếu mạng bị tắc nghẽn. trễ hàng đợi sẽ ảnh hưởng rất lớn

tới gói và gây ra sự biến đổi trễ của gói. Sự biến đổi trễ của mỗi gói là

khác nhau và điều này gọi là jitter. Tóm lại trễ mạng là biến đổi và khó

xác định trước nó phụ thuộc vào nhà cung cấp, trạng thái các tuyến

trong mạng, vấn đề tắc nghẽn,... Trong một số trường hợp nhà cung cấp

có thể giới hạn trễ này tùy theo thỏa thuận mức dịch vụ giữa nhà cung

cấp và khách hàng hay giữa các nhà cung cấp với nhau (xem hình 1.5).

Ngoài ra còn có các trễ cố định có thể xác định được như: Trễ mã hóa,

trễ hàng đợi, trễ sửa dạng và trễ nén.

Hình 1.5 Một ví dụ về trễ mạng

Trễ chuyển tiếp và xử lý ( Forwading/ Processing Delay): Trễ xuất hiện

do nguồn đẩy gói ra chậm so với tốc độ quy định. Loại trễ này phụ

thuộc vào băng thông của kết nối cũng như kích thước gói được đẩy ra.

1.4.3 Trượt (Jitter)

Jitter được định nghĩa là sự biến đổi trễ xuyên qua mạng trong quá trình

truyền tin. Nguyên nhân chính của Jitter là thời gian trễ của các gói tin khi

được phân phát từ nơi gửi đến đích là khác nhau. Trong mạng chuyển mạch

gói, với các thành phần có trễ biến đổi thì hiện tượng Jitter luôn xảy ra. Bởi

25

vậy một vấn đề cần đặt ra là làm sao cho ảnh hưởng của Jitter không đủ để

làm suy giảm chất lượng dịch vụ.

1.4.4 Mất gói (Loss Packet)

Tỉ lệ mất gói chỉ ra số lượng gói bị mất trong mạng trong suốt quá trình

truyền dẫn. Mất gói do hai nguyên nhân chính: gói bị loại bỏ khi mạng bị tắc

nghẽn nghiêm trọng hoặc gói bị mất khi đường kết nối bị lỗi. Loại bỏ gói có

thể xảy ra tại các điểm tắc nghẽn do kỹ thuật QoS khi số lượng gói đến vượt

quá kích thước hàng đợi tại đầu ra.

Kết luận: QoS có thể giúp giải quyết một số vấn đề như: mất gói, jitter, và

xử lý trễ. Nhưng một số vấn đề mà QoS không thể giải quyết được như là trễ

lan truyền, trễ do mã hóa/ giải mã, trễ lấy mẫu và trễ do số hóa. Điều quan

trọng là phải biết phần nào không thể thay đổi và phần nào có thể điều khiển

được theo như bảng 1-2 (trích tài liệu: Tiêu chuẩn G.114 “One-way

transmission time”).

Trễ cố định Trễ thay đổi

Trễ mã hóa G.729 (5 ms) 5 ms

Trễ mã hóa G.729 (10 ms/frame) 20 ms

Trễ đóng gói bao gồm trong trễ mã hóa

Trễ xếp hàng trên trung kế 64 kbps 6 ms

Trễ chuyển nối tiếp trên trung kế 64 kbps 3 ms

Trễ truyền lan (trên các dây riêng) 32 ms

Trễ mạng (Vd Frame Relay)

Đệm loại bỏ Jitter 2-200ms

Tổng cộng – Giả sử Jitter Buffer 50 ms 110 ms

Bảng 1-2 Thống kê các loại trễ từ đầu cuối đến đầu cuối

Khuyến nghị G.114 của ITU-T cho rằng trễ từ đầu cuối đến đầu cuối

không vượt quá 150ms là duy trì được chất lượng thoại tốt.

26

CHƯƠNG 2 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) Một trong những vấn cần giải quyết trong mạng NGN là tránh sự va chạm giữa các dịch vụ và đảm bảo chất lượng dịch vụ của chúng ở mức người dùng có thể chấp nhận được. Điều này khó có thể đảm bảo nếu mạng không áp dụng các kỹ thuật QoS. Thuật ngữ “kỹ thuật QoS” được tác giả đề cập đến xuyên suốt luận văn và

được hiểu là kỹ thuật đảm bảo QoS cho phép mạng có thể ước lượng và dự

đoán từng thay đổi của dịch vụ về các ứng dụng, lưu lượng và sử dụng nó để

nâng cao các tính năng như điều khiển nguồn tài nguyên, dự trữ băng thông

và đáp ứng các yêu cầu đặc biệt. Ngoài ra QoS còn góp phần nâng cao độ an

toàn và tin cậy trong mạng và có thể mở rộng các dịch vụ trong tương lai.

Trong chương này tác giả giới thiệu khái niệm QoS, các kỹ thuật QoS và ứng

dụng. Ngoài ra các giao thức báo hiệu trong QoS cũng được phân tích trong

chương này.

2.1 Khái niệm

Chất lượng dịch vụ (QoS) là một thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trong

nhiều lĩnh vực khác nhau. Hiểu một cách đơn giản QoS là các cơ chế, công

cụ đảm bảo cho các mức dịch vụ khác nhau thỏa mãn các tiêu chuẩn về băng

thông và thời gian trễ cần thiết cho một ứng dụng đặc biệt nào đó.

Có nhiều công cụ cho phép chúng ta thực hiện QoS. Trong một vài trường

hợp chúng ta có thể không dùng đến công cụ nào mà vẫn đạt được QoS.

2.2 Các kỹ thuật QoS (hay còn gọi là các mô hình dịch vụ QoS)

Một mô hình dịch vụ còn được gọi là một mức dịch vụ mô tả khả năng

thiết lập từ đầu cuối đến đầu cuối của QoS, đầu cuối đến đầu cuối QoS là khả

năng của mạng có thể phục vụ các yêu cầu đặc biệt tới mạng khác. Kỹ thuật

QoS cung cấp 3 kiểu mô hình dịch vụ là: Best effort, Integrated và

Differentiated services.

27

Chúng ta cần quan tâm đến những dữ kiện sau khi xác định kỹ thuật QoS

sẽ được triển khai trong mạng:

Các ứng dụng hoặc vấn đề bạn đang cố gắng giải quyết.

Những khả năng bạn muốn cho phân chia tài nguyên.

Phân tích những lợi ích về giá, Vd giá thành cần thiết cho các phương

tiện và triển khai dịch vụ Differentiated services chắc chắn là đắt hơn

rất nhiều so với dịch vụ Best effort.

Các kỹ thuật Qos được mô tả trong hình 2.1

Hình 2.1 Các kỹ thuật QoS trong mạng IP

Không phải tất cả các công nghệ QoS đều phù hợp cho tất cả các mạng

định tuyến. Bởi vì định tuyến cho các nhánh và đường trục trong một mạng

không cần thiết thực hiện giống nhau. QoS có thể thực hiện tốt các nhiệm vụ

khác nhau. Vd cấu hình lưu lượng thoại thời gian thực cho một mạng IP bạn

cần cân nhắc các chức năng định tuyến của cả đường trục và đường nhánh

trong mạng, sau đó lựa chọn các tính chất QoS cho phù hợp.

28

2.2.1 Dịch vụ cố gắng tối đa (Best Effort)

Best Effort là một mô hình dịch vụ đơn và phổ biến trên mạng Internet hay

mạng IP nói chung, cho phép ứng dụng gửi dữ liệu bất cứ khi nào với bất cứ

khối lượng nào nó có thể thực hiện và không đòi hỏi sự cho phép hoặc thông

tin cơ sở mạng, nghĩa là mạng phân phối dữ liệu nếu nó có thể mà không cần

sự đảm bảo về độ tin cậy, độ trễ hoặc khả năng thông mạng.

QoS đặc tả dịch vụ Best Effort là xếp hàng đợi: firt - in, firt – out (FIFO).

Dịch vụ Best Effort rất phù hợp cho những ứng dụng của mạng dải rộng như

truyền file hoặc email. Cho đến thời điểm này đa phần các dịch vụ được cung

cấp bởi mạng Internet vẫn sử dụng mô hình dịch vụ này.

2.2.2 Dịch vụ tích hợp (Integrated Service)

Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng trong việc cung cấp dịch vụ thời gian

thực (Thoại, Video,...) và băng thông cao (đa phương tiện), dịch vụ tích hợp

IntServ đã ra đời (xem hình 2.2). Đây là sự phát triển của mạng IP nhằm đồng

thời cung cấp dịch vụ truyền thống Best Effort và các dịch vụ thời gian thực.

Sau đây là những động lực thúc đẩy sự ra đời của mô hình này:

Dịch vụ cố gắng tối đa không còn đủ đáp ứng nữa: ngày càng có nhiều

ứng dụng khác nhau, các yêu cầu khác nhau về đặc tính lưu lượng được

triển khai, đồng thời người sử dụng cũng yêu cầu chất lượng dịch vụ

ngày càng cao hơn.

Các ứng dụng đa phương tiện ngày càng xuất hiện nhiều: mạng IP phải

có khả năng hỗ trợ không chỉ đơn dịch vụ mà còn hỗ trợ đa dịch vụ của

nhiều loại lưu lượng khác nhau từ thoại, số liệu đến video.

Tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng và tài nguyên mạng: đảm bảo hiệu

quả sử dụng và đầu tư. Tài nguyên mạng sẽ được dự trữ cho lưu lượng

có độ ưu tiên cao hơn.

29

Cung cấp dịch vụ tốt nhất: mô hình IntServ cho phép nhà cung cấp

mạng tung ra những dịch vụ tốt nhất, khác biệt với các đối thủ cạnh

tranh khác.

Appl

Classifier

Setup

Sheduler

Setup

Classifier

Các giao thức định tuyến / Database

Sheduler

Điều khiển chấp nhận/cưỡng bức

Các bản tin Setup đặt trước

Data

IP Data

Hình 2.2 Mô hình dịch vụ IntServ

Một số thành phần trong mô hình 2.2 như:

Giao thức thiết lập Setup: cho phép các máy chủ và các router dự trữ

động tài nguyên mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng

riêng. RSVP (Resource Reservation Protocol), Q2391 là một trong

những giao thức đó.

Đặc tính luồng: xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho các

luồng xác định, luồng ở đây được định nghĩa như một luồng các gói từ

nguồn đến đích có cùng yêu cầu về QoS như băng tần tối thiểu mà

mạng bắt buộc phải cung cấp để đảm bảo QoS cho các luồng yêu cầu.

Điều khiển lưu lượng: Trong các thiết bị mạng (máy chủ, router,

chuyển mạch) có thành phần điều khiển và quản lý tài nguyên mạng

cần thiết để hỗ trợ QoS theo yêu cầu. Các thành phần điều khiển lưu

lượng này có thể được khai báo bởi giao thức báo hiệu RSVP hay nhân

công. Thành phần điều khiển lưu lượng bao gồm:

30

• Điều khiển chấp nhận: Xác định các thiết bị mạng có khả năng hỗ

trợ QoS theo yêu cầu hay không.

• Thiết bị phân lớp (Classifier): Nhận dạng và chọn lựa lớp dịch vụ

trên nội dung của một số trường nhất định trong mào đầu gói.

• Thiết bị lập lịch và phân phối (Scheduler): Cung cấp các mức chất

lượng dịch vụ (QoS) ở kênh đầu ra của thiết bị.

Các mức QoS cung cấp bởi IntServ gồm:

Dịch vụ Best Effort

Dịch vụ đảm bảo GS (Guaranteed Service)

Dịch vụ kiểm soát tải CL (Controlled Load)

Sau đây chúng ta sẽ phân tích các dịch vụ được cung cấp bởi IntServ.

2.2.2.1 Dịch vụ đảm bảo GS (Guaranteed Service)

GS cung cấp các dịch vụ chất lượng cao như: Dành riêng băng thông, giới

hạn độ trễ tối đa và không bị mất gói tin trong hàng đợi. Các ứng dụng có thể

kể đến: Hội nghị truyền hình chất lượng cao, thanh toán tài chính thời gian

thực,....

2.2.2.2 Dịch vụ kiểm soát tải CL (Controlled Load)

CL không đảm bảo về băng tần hay trễ, nhưng khác với Best Effort ở điểm

không giảm chất lượng một cách đáng kể khi tải mạng tăng lên. Dịch vụ này

phù hợp cho các ứng dụng không nhạy cảm lắm với độ trễ hay mất gói như

truyền hình multicast audio/video chất lượng trung bình.

2.2.2.3 Kết luận

Mô hình dịch IntServ có thể sử dụng giao thức báo hiệu RSVP cung cấp

nhiều loại hình dịch vụ khác nhau:

Guaranteed Rate Service loại hình này cho phép dành sẵn độ rông băng thông

để phù hợp với những yêu cầu của chúng, Vd ứng dụng VoIP có thể dành 32

Mbps từ đầu cuối đến đầu cuối sử dụng loại hình dịch vụ này. QoS sử dụng

31

xếp hàng cân bằng trọng số (WFQ) kết hợp với giao thức dành sẵn tài nguyên

(RSVP) để cung cấp loại hình dịch vụ này.

Controlled Load Service, loại hình này cho phép các ứng dụng có độ trễ

thấp và tốc độ lưu lượng cao thậm trí ngay cả khi tắc nghẽn. Vd các ứng dụng

không nhạy cảm với thời gian thực như khi phát lại băng ghi âm cuộc hội

thoại có thể sử dụng loại hình dịch vụ này. QoS sử dụng RSVP kết hợp với

Weighted Random early Detect (WRED) cung cấp loại hình dịch vụ này.

2.2.3 Mô hình Differentiated Service

Việc đưa ra mô hình IntServ có vẻ như giải quyết được nhiều vấn đề liên

quan đến QoS trong mạng IP. Tuy nhiên trong thực tế mô hình này đã không

đảm bảo được QoS xuyên suốt (end to end). Đã có nhiều cố gắng nhằm thay

đổi điều này nhằm đạt một mức QoS cao hơn cho mạng IP, và một trong

những cố gắng đó là sự ra đời của DiffServ (xem hình 2.3).

DiffServ sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để hỗ trợ dịch vụ

ưu tiên qua mạng IP. Hiện tại IETF đã có một nhóm nghiên cứu DiffServ để

đưa ra các khuyến cáo RFC về DiffServ.

Nguyên tắc cơ bản của DiffServ như sau:

Phân loại và đánh dấu các gói riêng biệt tại biên của mạng vào các lớp

dịch vụ. Việc phân loại có thể dựa trên nhiều cách thức như sửa dạng

lưu lượng, loại bỏ gói tin, và cuối cùng là đánh dấu trường DS

(DiffServ) trong mào đầu gói tin để chỉ thị lớp dịch vụ cho gói tin.

Điều chỉnh lưu lượng này tại biên mạng. DS là mô hình có sự phân biệt

dịch vụ trong mạng có nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả lưu

lượng thời gian thực có thể được đáp ứng mức dịch vụ của chúng trong

khi vẫn có khả năng mở rộng các hoạt động trong mạng IP lớn. Khả

năng mở rộng có thể đạt được bằng:

• Chia nhỏ lưu lượng ra thành nhiều lớp khác nhau.

32

• Ánh xạ nhiều ứng dụng vào trong các lớp dịch vụ này trên biên

mạng. Chức năng ánh xạ này đựơc gọi là phân loại (classification)

và điều hoà (conditioning) lưu lượng.

Cung cấp các xử lý cố định cho mỗi lớp dịch vụ tại mỗi hop (được gọi

là Per-hop behavior - PHB) tương ứng với các yêu cầu QoS của nó).

PHB bao gồm hàng đợi, phân lịch, và các cơ chế loại bỏ gói tin.

Hình 2.3 Sơ đồ khối kiến trúc DiffServ

2.2.3.1 Trường DS của DiffServ

Trường DS là trường được quá trình điều hoà và phân loại lưu lượng sử

dụng tại biên mạng để mã hoá giá trị DSCP. Giá trị này được các router

DiffServ sử dụng tại mỗi hop để lựa chọn PHB thích hợp cho mỗi gói tin.

DSCP là giá trị 6 bit, được mang trong trường ToS của mào đầu gói tin.

Với 6 bit có thể tạo ra đến 64 lớp dịch vụ. Tuy nhiên, trong thực tế chỉ có một

số lớp dịch vụ được triển khai. Giá trị IP Precedence (đạt được từ 3 bit có

trọng số lớn nhất trong trường ToS) có thể được ánh xạ đến trường DSCP,

vừa vặn với các bit trong trường này. Tập hợp các gói tin có cùng giá trị

DSCP, và di chuyển qua mạng theo cùng một hướng được gọi là tập hợp hành

vi (Behavior Aggregate - BA). PHB sẽ thực hiện các chức năng của nó (hàng

đợi, phân lịch, đánh rớt) cho bất kì gói tin nào thuộc về một BA

2.2.3.2 Per-hop Behavior trong Diff Serv

Có 4 PHB quan trọng trong khi triển khai DiffServ là: Default PHB (PHB

33

mặc định), Class – selector PHB (PHB lựa chọn theo lớp), Expedited

Forwaring PHB (PHB chuyển tiếp ưu tiên nhất – EF PHB), Assured

forwarding PHB (PHB chuyển tiếp được đảm bảo – AF PHB). PHB không

đưa ra các cơ chế thực thi cụ thể cho gói tin. Để miêu tả cho một PHB cụ thể,

nhà quản trị mạng kích hoạt, điều chỉnh, và kết hợp các cơ chế phân lịch gói

tin thích hợp cũng như kích hoạt các cơ chế quản lý hàng đợi (như Priority

Queueing, Class-based Weight Fair Queue) hay các cơ chế tránh tắc nghẽn

như (WRED, CAR,...) được các router Diff-serv hỗ trợ.

Default PHB: Mặc định PHB tương ứng với tiến trình chuyển tiếp gói

tin best-effort, nó là mặc định trên tất cả các router. Nó chỉ đơn giản

phân phối càng nhiều gói tin càng tốt. PHB này không có sự cam kết về

chất lượng dịch vụ cho gói tin. Các gói tin được ánh xạ đến PHB này sẽ

có giá trị DSCP là 0.

Class – selector PHB: Trong một vài triển khai IP QoS, giá trị IP

Precedence thường được sử dụng vì tính đơn giản và dễ sử dụng của

nó. Do đó, để cho tương thích với các giá trị Precedence, các giá trị

DSCP được định nghĩa dưới dạng xxx000 (trong đó x có thể là 0 hay

1). Các giá trị đó được gọi là class – selector codepoint. Giá trị mặc

định là 0. PHB kết hợp với một class – selector codepoint được gọi là

Class – selector PHB. Các PHB này sẽ có cùng kiểu chuyển tiếp như

các node sử dụng giá trị IP Precedence. Ví dụ, các gói tin có giá trị

DSCP là 101000 (IP Precedence là 101) sẽ có độ ưu tiên chuyển tiếp

lớn hơn các gói tin có giá trị DSCP là 011000 (IP Precedence 011).

EF PHB: PHB chuyển phát nhanh EF PHB là PHB đáp ứng cho gói tin

các dịch vụ có việc mất gói tin thấp (low - loss), độ trễ thấp (low -

delay), độ jitter thấp (low - jitter). EF PHB đảm bảo rằng lưu lượng của

nó được phục vụ ở tốc độ ít nhất là bằng với tốc độ dịch vụ cam kết.

34

Các ứng dụng như VoIP, video, thương mại điện tử được sử dụng PHB

này. Bất kì lưu lượng nào vượt qúa hợp đông lưu lượng sẽ bị huỷ bỏ.

Giá trị DSCP (xem hình 2.4) cho EF là 101110.

AF PHB: PHB chuyển phát đảm bảo Đây là công cụ được sử dụng để

đưa ra các mức dịch vụ đảm bảo chuyển tiếp cho gói tin của người

dùng. Có tất cả 4 lớp AF. Trong mỗi lớp AF, một gói tin được đăng kí

một trong 3 mức ưu tiên đánh rớt, tức là gói tin có 3 giá trị ưu tiên đánh

rớt khác nhau trong cùng một lớp dịch vụ. Mỗi PHB sẽ tương đương

với một lớp khác nhau và được gọi là AFij, trong đó i là lớp AF, và j là

độ ưu tiên đánh rớt. Mỗi lớp AF được chỉ định với số lượng nguồn tài

nguyên nhất định phụ thuộc vào hợp đồng mức dịch vụ SLA (Service

Level Agreement) của khách hàng, gồm có băng thông và không gian

bộ đệm. Việc chuyển tiếp được thực hiện độc lập dọc mỗi lớp AF.

Class Drop Precedence

011101

DSCP

EF CU

0yyxxx

DSCP

AFxy CU

Hình 2.4 Mô tả cấu trúc bit trong trường DSCP

Vì có 4 lớp nên các lớp có thể là AF1y, AF2y, AF3y, AF4y. Trong mỗi

lớp Afx, có đến 3 giá trị ưu tiên đánh rớt. Nếu có nghẽn xảy ra trong mạng

Diff-serv trên một kết nối nào đó, các gói tin thuộc về lớp AF nào đó sẽ bị

đánh rớt. Độ ưu tiên đánh rớt của các gói tin là như sau:

dp(AFx1)<=dp(AFx2)<=dp(AFx3)<=dp(AFx4), trong đó dp(AFxy) là xác

suất mà các gói tin của lớp Afxy bị đánh rớt.

35

Ví dụ, AF23 sẽ bị đánh rớt trước AF22, AF22 sẽ bị đánh rớt trước AF21.

Lớp AFx có thể được biểu diễn bằng giá trị DSCP xyzab0, trong đó xyz là

001, 010, 011, 100 và ab là bit ưu tiên đánh rớt.

Bảng 2-1 là giá trị của IP Precedence và DSCP trong các PHB

DSCP in Binary DSCP in Decimal Precedence PHB

000000 0 0 Default

001000 8 1 CS1

001010 10 1 AF11

001100 12 1 AF12

001110 14 1 AF13

010000 16 2 CS2

010010 18 2 AF21

010100 20 2 AF22

010110 22 2 AF23

011000 24 3 CS3

011010 26 3 AF31

011100 28 3 AF32

011110 30 3 AF33

100000 32 4 CS4

100010 34 4 AF41

100100 36 4 AF42

100110 38 4 AF43

101000 40 5 CS5

101110 46 5 EF

110000 48 6 CS6

111000 56 7 CS7

Bảng 2-1 Giá trị IP Precedence và DSCP trong các PHB

36

2.2.3.3 Các cơ chế DiffServ

Hai chức năng này được thực hiện tại biên mạng giữa khách hàng và nhà

cung cấp dịch vụ hoặc giữa hai mạng nhà cung cấp dịch vụ với nhau. Nó được

áp đặt trên mỗi gói tin đi vào và dùng nhận diện lưu lượng với nhiều dịch vụ

khác nhau (phân loại), sau đó áp đặt giá trị DS (DiffServ) cho mỗi lưu lượng

đó (điều hoà). Rõ ràng, chính sách phân loại và điều hoà lưu lượng đáp ứng

yêu cầu của khách hàng các các lớp dịch vụ do nhà cung cấp đưa ra. Hình 2.5

mô tả sơ đồ khối cơ chế phân loại và điều hòa lưu lượng.

Hình 2.5 Sơ đồ cơ chế phân loại và điều hoà đến lưu lượng

Cơ chế phân loại gói:

Việc phân loại có thể dựa trên trường DS, có thể dựa trên các giao thức

được vận chuyển như SMTP, HTTP, hoặc là địa chỉ nguồn và đích. Phân loại

lưu lượng được sử dụng để chuyển tiếp gói tin đến trạng thái điều hoà lưu

lượng thích hợp. Bộ phân loại hoạt động ở hai chế độ:

Bộ phân loại tổng hợp hành vi (BA) phân loại các gói tin chỉ dựa trên

giá trị DSCP.

Bộ phân loại đa trường (multifield) phân loại các gói tin bởi nhiều

trường trong gói, như là địa chỉ, số cổng,….

Cơ chế điều hòa lưu lượng:

Điều hoà lưu lượng bao gồm các thành phần sau : hoạt động đo, hoạt động

đánh dấu, hoạt động sửa dạng, và hoạt động đánh rớt gói tin.

37

Hoạt động đo (meter): Sau khi gói tin được phân loại, meter sẽ đo tốc

độ luồng lưu lượng.

Hoạt động đánh dấu thiết lập trường DS của mào đầu gói tin dựa vào

kết quả có được từ bộ đo.

Hoạt động sửa dạng sẽ làm trễ vài gói tin trong luồng dữ liệu được

phân loại, định hướng lưu lượng trước khi đi vào miền DiffServ.

Hoạt động đánh rớt sẽ đánh rớt gói tin trong luồng dữ liệu đó (ví dụ các

gói tin vượt quá profile được nhận diện trong bộ đo), tiến trình này

được gọi là policing. Nghĩa là các gói tin được đưa đến bộ điều hoà lưu

lượng có thể là in-profile hoặc là out-of-profile. Các gói in-profile là

các gói tuân thủ theo hợp đồng mức dịch vụ giữa khách hàng và nhà

cung cấp. Các gói out-of-profile nằm bên ngoài hợp đồng SLA, hoặc do

hành vi mạng mà các gói này đến bộ điều hoà, tại đây bộ điều hoà sẽ có

những xử lý thích hợp.

2.2.3.4 Ưu nhược điểm của mô hình DiffServ

Với nguyên tắc này, Diffserv có nhiều lợi thế hơn so với IntServ:

Không yêu cầu báo hiệu cho từng luồng.

Dịch vụ ưu tiên có thể áp dụng cho một số luồng riêng biệt cùng một

lớp dịch vụ. Điều này cho phép nhà cung cấp dịch vụ dễ dàng phân

phối một số mức dịch vụ khác nhau cho khách hàng cho nhu cầu.

Không yêu cầu thay đổi tại các máy chủ hay các ứng dụng để hỗ trợ

dịch vụ ưu tiên. Đây là nhiệm vụ của thiết bị biên.

Hỗ trợ rất tốt dịch vụ VPN (Virtual Private Network).

Tuy nhiên có thể nhận thấy DiffServ cần vượt qua một số vấn đề như:

Không có khả năng cung cấp băng tần và độ trễ đảm bảo như GS của

IntServ hay ATM (Asynchronous Transfer Mode).

38

Thiết bị biên vẫn yêu cầu bộ Classifier chất lượng cao cho từng gói

giống như trong mô hình IntServ.

Vấn đề quản lý trạng thái Classifier của một số lượng lớn các thiết bị

biên là một vấn đề không nhỏ cần quan tâm.

Chính sách khuyến khích khách hàng trên cơ sở giá cước cho dịch vụ

cung cấp cũng ảnh hưởng đến giá trị của DiffServ.

2.2.3.5 Kết luận về DiffServ

Differentiated Service là một mô hình đa dịch vụ, chúng có thể làm thỏa

mãn các yêu cầu QoS khác nhau. Dẫu sao nó không giống mô hình dịch vụ

Integrated, một ứng dụng sử dụng mô hình dịch vụ Differentiated không cần

xác định rõ ràng tín hiệu tới bộ định tuyến trước khi gửi dữ liệu.

Bởi vì đối với dịch vụ Differentiated, mạng cố gắng phân loại dịch vụ dựa

trên lý thuyết QoS cho mỗi gói tin. Đặc điểm kỹ thuật này có thể thực hiện

bằng nhiều cách khác nhau, Vd sử dụng IP Precedence bit thiết lập trong gói

IP hoặc địa chỉ nguồn và đích, mạng sử dụng đặc điểm kỹ thuật QoS để phân

loại, đánh dấu, sửa dạng và chính sách điều khiển lưu lượng nhằm xếp hàng

đợi thông minh.

Mô hình dịch vụ Differentiated được sử dụng dành cho những ứng dụng

đặc biệt và để cung cấp đầu cuối tới đầu cuối QoS. Tiêu biểu cho loại hình

dịch vụ này phù hợp cho việc tập trung lưu lượng, bởi vì nó thực hiện việc

phân loại lưu lượng ở cấp độ thô.

QoS cung cấp các mô hình dịch vụ Differentiated sau:

Committed access rate (CAR), loại hình này thực hiện phân loại gói

thông qua IP Precedence và thiết lập nhóm QoS. CAR thực hiện đo và

điều khiển lưu lượng, quản lý độ rộng băng thông.

Xếp hàng đợi thông minh như WRED và WFQ và những đặc tính

tương đương dựa trên bộ xử lý giao diện đa năng – Versatile Interface

39

Processor (VIP) gọi là VIP – Distributed WRED và VIP – Distributed

WFQ. Những đặc điểm này có thể được sử dụng với CAR để phân phối

các dịch vụ Differentiated.

2.2.4 So sánh hai mô hình kiến trúc QoS chính

Integrated Services (IntServ)

Differentiated Serviecs (DiffServ)

Vậy giữa chúng có những đặc điểm gì khác nhau. Bảng 2-2 So sánh đặc điểm

cơ bản của hai mô hình trên:

DiffServ IntServ

Có ít phần tử mạng Có nhiều phần tử mạng

Tỉ lệ ứng dụng lớn, được các nhà cung

cấp dịch vụ ngày nay ưu dùng

Tỉ lệ ứng dụng nhỏ, phù hợp với

một vài đặc tính mạng vd

admission control

Không có trạng thái bảo dưỡng trong

mạng

Trạng thái mềm dẻo bảo dưỡng ở

bất kỳ nút mạng nào

Không có điều khiển quản trị nguồn tài

nguyên

Điều khiển quản trị nguồn tài

nguyên

Không có điều khiển quản trị chính sách Điều khiển quản trị chính sách

Bảng 2-2 So sánh đặc điểm cơ bản của hai mô hình QoS

Trong tương lai để cung cấp một giải pháp đầy đủ đầu cuối tới đầu cuối

cần có sự kết hợp cả 2 mô hình kiến trúc trên.

2.3 Các giao thức và cơ chế báo hiệu trong kỹ thuật QoS

Bên cạnh các đặc tính về xử lý lưu lượng, báo hiệu cũng là một thành phần

khá quan trọng của QoS. Cũng như các dạng báo hiệu khác, báo hiệu QoS là

một dạng của mạng thông tin mà cho phép các phần tử nút mạng, các trạm

đầu xa bắt tay nhau để thực hiện quá trình truyền dữ liệu.

40

Một mạng QoS end-to-end yêu cầu mỗi phần tử trong mạng, Router,

Switch, Firewall, Host..., đóng vai trò như là một phần của QoS và tất cả các

thành phần này được phối hợp liên kết bởi báo hiệu QoS.

Có nhất nhiều giải pháp báo hiệu QoS được áp dụng trong mạng, tuy nhiên

chúng thường bị giới hạn bởi phạm vi hoạt động của mạng.

Đối với mạng ứng dụng trên nền IP đưa ra các tính năng cho phép ứng

dụng báo hiệu QoS trên cơ sở của các mạng không đồng nhất. Đó là các giải

pháp báo hiệu QoS lớp 2 của RSVP (Resource Reservation Protocol) và

phương thức báo hiệu QoS IP lớp 3 dựa trên đặc tính về quyền ưu tiên IP.

Tương ứng là cơ chế báo hiệu trong băng (IP precedence) và báo hiệu

ngoài băng (RSVP). Báo hiệu IP Precedence phân biệt QoS, còn báo hiệu

RSVP nhằm đảm bảo QoS.

2.3.1 Giao thức dành sẵn tài nguyên (Resource Reservation Protocol)

RSVP là giao thức chuẩn cho phép cài đặt QoS đầu cuối đến đầu cuối trên

một mạng hỗn hợp. RSVP chạy trên nền IP rất hữu hiệu trong dự trữ băng

thông mạng. Sử dụng RSVP, các ứng dụng có thể yêu cầu mức QoS xác định

cho một luồng dữ liệu vận chuyển qua mạng.

Trên các nền ứng dụng của QoS, RSVP có thể được khởi tạo thông qua

RSVP proxy. RSVP cũng chỉ là một giao thức báo hiệu tiêu chuẩn được thiết

kế để đảm bảo băng thông từ đầu cuối này đến đầu cuối kia trong mạng IP.

Nếu 1 node mạng không hỗ trợ RSVP thì RSVP sẽ di chuyển đến node kế

tiếp. Một node mạng có tùy chọn là đồng ý hay từ chối sự dành riêng căn cứ

vào tải của giao tiếp mà dịch vụ yêu cầu.

RSVP không định tuyến chính nó và không hiệu chỉnh bảng định tuyến IP,

thay vào đó nó sử dụng các giao thức định tuyến để xác định ở đâu cần gửi

các yêu cầu dành riêng (reservation).

41

RSVP hoạt động trong mối liên kết với các cơ chế hàng đợi hiện thời.

Chúng ta có thể sử dụng RSVP để điều khiển tải trọng và đảm bảo tốc độ dịch

vụ.

RSVP là một đặc tính quan trọng của QoS nhưng nó không giải quyết tất

cả các vấn đề đưa ra bởi QoS, Vd như thời gian cần để thiết lập một sự đăng

ký dành riêng từ đầu cuối đến đầu cuối, khả năng phát triển, điều khiển chấp

nhận (admission).

Các host và router phân phối các yêu cầu QoS tới các router trên suốt

đường truyền dữ liệu và duy trì trạng thái cung cấp dịch vụ được yêu cầu từ

trước, thông thường đó là băng thông và yếu tố trễ. RSVP sử dụng tốc độ

truyền dữ liệu trung bình (mean data rate - lượng dữ liệu lớn nhất mà router

có thể lưu trữ trong hàng đợi) và tối thiểu hóa QoS (đảm bảo lượng băng

thông được yêu cầu) để xác định lượng băng thông dành riêng.

Khi một Host dùng RSVP để yêu cầu một dịch vụ QoS nó sẽ gửi yêu cầu

tới mạng trên một nửa của luồng truyền dữ liệu. Dịch vụ QoS được yêu cầu

bởi RSVP, tuy nhiên nó để cho các cơ chế hàng đợi thực hiện sự dành riêng

đó.

RSVP chuyên trở yêu cầu xuyên xuốt tất cả các nút trong mạng ở trên

đường truyền dữ liệu. Tại đó yêu cầu dự trữ tài nghuyên cho luồng dữ liệu

thông qua module điều khiển truy nhập của chính node đó.

Chú ý rằng với RSVP, một ứng dụng có thể được gửi với tốc độ lớn hơn

yêu cầu đưa ra bởi QoS, tuy nhiên dịch vụ đó chỉ được đảm bảo tại tốc độ yêu

cầu tối thiểu. Nếu băng thông khả dụng lưu lượng sẽ được truyền đi với tốc

độ lớn hơn tốc độ yêu cầu, còn nếu như không đủ toàn bộ phần lưu lượng

vượt quá sẽ bị rớt.

42

2.3.2 Mô hình RSVP end-to-end.

Nếu end-to-end được thiết kế trong mạng, tất cả thiết bị trong đường dẫn

đặt trước phải enable RSVP. Khi thiết bị nhận được bản tin RSVP, nó xác

định xem có đủ tài nguyên cho yêu cầu đặt trước ở mức nội tại. Một mạng từ

đầu cuối đến đầu cuối cài đặt RSVP được mô tả như hình vẽ 2.6

Hình 2.6 Mô hình mạng đầu cuối đến đầu cuối với RSVP

Hai bản tin chính được dùng cho bản tin báo hiệu RSVP. Khi cần thiết một

sự đặt trước, client gửi bản tin đường dẫn RSVP PATH trong mạng yêu cầu

một băng thông xác định nào đó tới đích. Mục đích của bản tin PATH là

khám phát tất cả RSVP-enable trên các router. Khi phía thu end-node nhận

bản tin PATH, nó sẽ xác định lại sự đặt trước bằng cách reply với bản tin

RSVP RESV. Bản tin RESV chuyển tiếp ngược về phía phát. Nếu bản tin

RESV đến phía phát thành công , mỗi hop trong kết nối end-to-end dành

trước tài nguyên và băng thông đặt trước được thiết lập end-to-end. Nếu

nguồn tài nguyên không có khả năng đáp ứng thì sự đặt trước bị từ chối.

Khi một phần của mạng không hỗ trợ RSVP, có nghĩa là khi bản tin RSVP

không được xử lý bởi tất cả các hop ở giữa 2 ứng dụng endpoints, một vài cơ

chế khác có thể được áp dụng để cố gắng đạt được yêu cầu của ứng dụng

trong non-RSVP network được gọi là pass-through RSVP.

Mạng từ đầu cuối đến đầu cuối pass-through RSVP được mô tả như hình 2.7

43

Hình 2.7 Mô hình mạng đầu cuối đến đầu cuối non-RSVP

Pass-through RSVP chỉ thực thi phân phát best-effort giữa 2 phần mạng

RSVP-enable.

Một ứng dụng khác là áp dụng CoS để phân phát các gói trên phần mạng

non-RSVP-enable. Trong trường hợp này, lưu lượng ứng dụng RSVP được

đánh dấu với các bộ đánh dấu lớp như IP Precedence hoặc bit DSCP ở trên

thực thể non-RSVP.

Sự đánh dấu gói của IP Precedence và DSCP dựa vào byte ToS trong IP

header, nó sẽ nhận dạng các lớp lưu lượng trên mỗi hop. IP precedence và

DSCP luôn được cấu hình ở phần biên của mạng, ở đó lưu lượng được đánh

dấu và phân lớp.

RSVP được áp dụng cho các ứng dụng trong đó băng thông và trễ quan hệ

đảm bảo với nhau là cần thiết. Các ứng dụng là VoIP, netmeeting, MPLS

traffic Engineering,....

44

CHƯƠNG 3 PHÂN LOẠI, PHÂN MẢNH

VÀ NÉN GÓI DỮ LIỆU TRONG KỸ THUẬT QoS

Phân loại gói là cơ sở để từ đó ta xây dụng các ứng dụng kỹ thuật QoS

khác nhau. Tuy nhiên không phải lúc nào các gói dữ liệu đến cũng có kích

thước phù hợp, vì vậy trước khi phân loại, các gói có kích thước lớn sẽ được

phân mảnh thành các gói nhỏ hơn có kích thước phù hợp. Song song với việc

phân loại và phân mảnh gói, cơ chế nén gói dữ liệu cũng được đề cập đến

trong chương này. Có thể nói phân loại góp giúp chúng ta có thể áp dụng các

kỹ thuật QoS, thì phân mảnh và nén dữ liệu rất hữu ích trong việc giảm trễ

chuyển tiếp và xử lý, trễ mạng cũng như các hiện tượng trượt phát sinh bởi

trễ.

3.1 Phân loại gói dữ liệu

Dựa trên các đặc tính của lưu lượng được truyền tải, thực hiện phân loại

các gói tin thành các nhóm riêng biệt mà có thể áp dụng các kỹ thuật QoS.

Bằng việc phân loại gói, ta có thể phân chia lưu lượng truyền tải thành nhiều

mức ưu tiên khác nhau hay nhiều lớp dịch vụ khác nhau.

Các phương thức phân loại gói trước đây bị giới hạn bởi số bít trong

trường tiêu đề (header). Trong các phương thức gần đây đánh dấu gói kết hợp

với phân loại gói cho phép ta có thể thiết lập giá trị trên các tiêu đề tại các lớp

2,3 hoặc có thể thiết lập trên tải trọng của gói.

Các router tại biên của mạng sử dụng chức năng phân loại gói để nhận

dạng các gói thuộc về lớp lưu lượng nào trên mạng tuỳ theo một hoặc nhiều

trường trong tiêu đề gói IP. Sau đó chức năng đánh dấu được sử dụng để đánh

dấu gói đó bằng cách thiết lập các bit trong trường IP Precedence hoặc trường

DSCP (Differentiated Service Code Point).

45

3.1.1 Quyền ưu tiên IP

Trong mạng IP các gói được lưu chuyển từ nguồn đến đích với mức ưu

tiên khác nhau. Để xác định IP Prececdence cho các gói tin người ta sử dụng

3 bits ToS, được mô tả như hình vẽ 3.1

Hình 3.1 Mô tả trường ToS trong gói IP

Trên cơ sở đó thiết lập các lớp dịch vụ khác nhau cho các gói tin. Với các

lớp dịch vụ tùy theo các yêu cầu cụ thể mà thực hiện các phương pháp cấu

hình tính năng QoS khác nhau để quản lý tắc nghẽn hay phân phối băng

thông. Chú ý rằng IP Precedence không phải là phương thức hàng đợi tuy

nhiên các phương thức hàng đợi như WFQ (Weighted Fair Queuing) hay

WRED (Weighted random early Drop/Detect) có thể sử dụng IP Precedence

để thiết lập thứ tự ưu tiên cho các gói IP.

Bên cạnh đó thông qua việc thiết lập các mức ưu tiên cho các lưu lượng dữ

liệu đầu vào và tổ hợp với các đặc tính hàng đợi QoS để tạo ra các dịch vụ

khác nhau. Chúng ta cũng có thể sử dụng các đặc tính như định tuyến chính

sách (PBR - Policy-based routing) và tốc độ truy cập cam kết (CAR -

Committed Access Rate), để đặt thứ tự ưu tiên dựa trên mở rộng phân loại

danh sách truy nhập. Ví dụ như chúng ta có thể gán thứ tự ưu tiên dựa trên

ứng dụng của người sử dùng hay mạng nguồn và mạng đích.

46

Như đã nói ở trên việc gán thứ tự ưu tiên cho các gói thông qua tổ hợp 3

bits ToS trong địa chỉ mào đầu IP để tạo ra các lớp dịch vụ khác nhau. Về lý

thuyết với 3 bits ToS có thể phân chia thành 8 loại CoS khác nhau. Tuy nhiên

chỉ phân 6 lớp dịch vụ tương ứng với 6 giá trị ToS, 2 giá trị còn lại được dành

cho sử dụng trong thông tin nội bộ mạng.

Giá trị IP Precedence tương ứng với 3 bits ToS được quy định trong bảng 3-1

IP precedence value IP precedence name

0 Routine

1 Priority

2 Immediate

3 Flash

4 Flash-override

5 Critical

6 Internet

7 Network

Bảng 3-1 Giá trị IP Precedence tương ứng với 3 bits ToS

Trong chế độ mặc định các phần mềm thường không thiết lập các gía trị

của IP Precedence. Như vậy để có thể sử dụng các phần tử mạng cần thực

hiện gán giá trị IP Precedence trong trường tiêu đề (header).

Chú ý rằng các gói đến từ các mạng khác có thể đã được gán giá trị ưu tiên

do đó nên thực hiện thiết lập lại giá trị ưu tiên cho tất cả các gói được gửi tới.

Bằng cách điều khiển giá trị IP Precedence chúng ta có thể ngăn chặn các

người dùng không mong muốn hay lựa chọn các dịch vụ thích hợp hơn.

3.1.2 Định tuyến chính sách (PBR)

47

PBR (Policy-based routing) cung cấp cơ chế định tuyến linh hoạt cho việc

định tuyến các gói tin dựa trên chính sách định tuyến cho các luồng lưu

lượng. PBR làm tăng khả năng điều khiển định tuyến bằng cách mở rộng hay

bổ sung các đặc tính của các giao thức định tuyến. Bên cạnh đó PBR cho

phép thiết lập các giá trị IP Precedence, ưu tiên cho loại dữ liệu nào đó trên

tuyến dành riêng.

3.1.2.1 Đặc điểm của PBR

Chúng ta có thể sử dụng PBR như một phương án định tuyến. Ví dụ như

chúng ta có thể cho phép hay từ chối các luồng dữ liệu dựa trên cơ sở nhận

dạng một dạng đặc biệt của điểm kết cuối, một giao thức ứng dụng hay dựa

trên cơ sở kích cỡ của các gói tin.

Nói chung PBR cung cấp các đặc tính sau:

Phân loại lưu lượng dựa trên cơ sở mở rộng danh sách truy nhập (ACL

– Access List), sau đó các ACL thiết lập tiêu chuẩn thích hợp.

Thiết lập giá trị IP Precedence, trên cơ sở đó thành lập các lớp dịch vụ

khác nhau trên mạng.

Định tuyến các gói tin tới tuyến xác định.

Định tuyến chính sách có thể dựa trên địa chỉ IP, các cổng (port), các giao

thức hay kích cỡ của các gói tin. Đối với các bài toán định tuyến đơn giản ta

có thể chỉ cần sử dụng một trong các đặc tính ở trên tuy nhiên với các phương

án định tuyến phức tạp chúng ta cũng có thể sử dụng tất cả các đặc tính đó.

3.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Mỗi một PBR được xây dựng trên cơ sở thiết lập bảng định tuyến, các gói

tin được chuyển đến trên một giao diện mà có sử dụng cơ chế PBR sẽ được

chuyển tới bảng định tuyến từ đó xác định cơ chế chuyển tiếp đến đầu ra.

Bảng định tuyến được xây dựng từ các trạng thái, các trạng thái này có thể

48

được xem như quyết định chấp nhận hay từ chối. Cụ thể chúng được quy định

như sau:

Nếu các gói tin không phù hợp với bất cứ kỳ trạng thái nào của bảng

định tuyến thì tất cả các nguyên tắc định tuyến sẽ được áp dụng.

Nếu trạng thái từ chối thì các gói tin sẽ được gửi trở lại và cơ chế định

tuyến dựa trên cơ sở trạm đích (destination-based routting) sẽ được áp

dụng.

3.2 Phân mảnh gói dữ liệu ( MLP - Multiling PPP)

Đối với các lưu lượng mà có sự tương tác qua lại như Telnet và VoIP dễ

làm tăng trễ khi mạng xử lý các gói có kích cỡ lớn như lưu chuyển các gói

(FTP) LAN-to-LAN qua mạng WAN. Các gói bị trễ là rất đáng kể khi mà các

gói có kích cỡ lớn này được cùng xếp hàng trong một hàng đợi sẽ dễ gây tắc

nghẽn. Để giải quyết vấn đề này một phương thức phân mảnh được áp dụng

nhằm chia chúng thành các gói có kích cơ nhỏ hơn sau đó mới được sắp xếp

vào hàng đợi.

3.2.1 Các đặc tính phân mảnh dữ liệu

Như đã biết tiêu chuẩn trễ cho phép truyền các gói thời gian thực đặc biệt

là các gói thoại khoảng 150 – 200ms. Với các kỹ thuật truyền bản tin dựa trên

nền IP khó có thể đáp ứng các dịch vụ thoại do các vấn đề giới hạn băng

thông, đặc biệt là các yêu cầu khắt khe độ trễ thoại cho phép khoảng 150ms.

Sự phân mảnh (LFI - Link Fragmentation and Interleaving) làm giảm

thiểu thời gian trễ trên các liên kết tốc độ thấp bằng cách “chặt” các gói

tin cỡ lớn sau đó chèn các gói tin đòi hỏi trễ nhỏ để truyền đi.

LFI cung cấp công cụ cho phép, cắt, tổ hợp lại, sắp xếp bản tin thông

qua nhiều liên kết dữ liệu logic. Các gói cỡ lớn được đóng gói đa liên

kết và phân mảnh thành các gói có kích cỡ nhỏ hơn mà đủ thỏa mãn

49

các yêu cầu về trễ của lưu lượng có độ nhạy trễ. Các gói tin có độ nhạy

trễ thấp sẽ không được đóng gói đa liên kết nhưng được chèn giữa các

bản tin được phân mảnh.

MLP (Multiling PPP) cho phép các gói phân mảnh được gửi tới cùng

một trạm đầu xa tại cùng thời điểm thông qua nhiều liên kết điểm điểm.

Tải trọng có thể được tính toán ở đầu vào, đầu ra hoặc cả hai để xác

định lưu lượng giữa các trạm xác định. MLP có thể phân phối băng

thông theo yêu cầu để giảm thiểu trễ truyền dẫn trên các liên kết WAN.

3.2.2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của LFI được mô tả trong hình 3.2

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của LFI

Lưu lượng đến giao diện bao gồm các gói IP voice và các gói cỡ lớn, Khi

chuyển đến giao diện đầu vào các gói sẽ được sắp xếp vào hàng đợi dựa trên

đặc tính phân loại của gói mỗi gói. Sau khi đã được xếp vào hàng đợi các gói

lớn sẽ bị phân mảnh thành các gói nhỏ hơn và chuẩn bị xen kẽ với các gói

thoại IP, các gói này sẽ được gửi đi theo lịch trình của cơ chế hàng đợi được

cấu hình.

Chú ý để đảm bảo đúng thứ tự của các gói tin khi được truyền và thiết lập

50

lại, LFI bổ sung các tiêu đề đa liên kết vào các gói phân mảnh và sắp xếp

chúng vào hàng đợi để gửi đi.

3.3 Các giải thuật nén tải tin

Cùng với việc phân loại, phân mảnh và chèn gói tin, QoS hỗ trợ 3 phương

thức nén tải tin khác nhau được sử dụng trên nền giao thức lớp 2, nhằm giảm

kích cỡ gói tin. Hiệu quả sử dụng của các giải thuật này cũng rất khác nhau

tuy nhiên rất hiệu dụng trong việc tiết kiệm tài nguyên, đặc biệt hiệu quả

trong việc sử dụng CPU cho router. Các giải thuật bao gồm:

STAC hoặc Stacker (STAC Electronics hoặc Hi/fn, Inc.)

MPPC (Microsoft Point – to – point Compression)

Predictor (Public domain algorithm).

3.3.1 Nguyên tắc hoạt động

Hai giải thuật STAC hay Stacker và MPPC được xây dựng dựa trên nền

tảng giải thuật nén LZ (Lempel – Ziv). Giải thuật LZ (thỉnh thoảng còn được

gọi là LZW) tìm kiếm trong byte truyền dữ liệu những chuỗi dư thừa và thay

thế bằng các Token ngắn hơn (Các Token này được xây dựng từ trước và lập

nên một thư viện). Thư viện này được xây dụng trong thời gian thực (real

time), và không cần thiết thay đổi thư viện bởi vì thư viện này được xây dựng

lại từ thu nhận dữ liệu trạm đầu xa. Cả hai giải thuật này cho kết quả nén rất

tốt tuy nhiên chúng đòi hỏi tần suất CPU (Central Processing Unit) làm việc

cao.

Giải thuật Predictor dựa trên việc đoán trước thứ tự byte tiếp theo trong

luồng dữ liệu thông qua thư viện đơn giản, thư viện này được xây dựng lại từ

trạm gửi hoặc dữ liệu nén và không cần thay đổi trong mỗi chặng. Đây là một

giải thuật đơn giản, rất nhanh và tần suất CPU làm việc không cao tuy nhiên tỉ

lệ nén là tương đối thấp.

51

Quá trình thực hiện thuật toán nén được minh họa trong hình 3.3

FH cIPFH IP

Hàng đợi Đầu raBộ chuyển tiếp Thuật toán nén

CPU thực hiện thuật toán nén Kích thước các gói giảm,

làm giảm thời gian truyền và nhiều gói có

thể được truyền hơn Hình 3.3 Minh họa quá trình thực hiện thuật toán nén

STAC, MPPC và Predictor là những thuật toán thường được sử dụng thực

hiện nén tải tin tại lớp 2 trên các liên kết point – to – point giữa các Router.

STAC và MPPC đòi hỏi tần suất hoạt động của CPU cao nhưng có hiệu

quả nén lớn (trong đó Stacker cho phép khả năng điều chỉnh). Tuy nhiên hai

giải thuật này thường phát sinh trễ nên hay được sử dụng trên các liên kết tốc

độ thấp.

Predictor được xem như là khá đơn giản nó có thể triển khai trên các liên

kết tốc độ cao, trễ và tần suất sử dụng CPU thấp tuy nhiên đòi hỏi bộ nhớ lớn

và hiệu quả nén là thấp hơn so với 2 thủ tục kia.

Phạm vi sử dụng của các giải thuật được mô tả theo bảng 3-2

Giải thuật Công nghệ

STAC Predictor MPPC Ghi chú

PPP a∗ a a

Frame Relay a∗ r r

∗ Cũng được cung cấp bởi

các Module nén phần cứng.

HDLC a r r

LAPB a a r

X.25 a r r

Bảng 3-2 Phạm vi sử dụng của các giải thuật nén

52

3.3.2 Nén tiêu đề

Tất các phương thức nén đều cùng chung một mục đích đó là hạn chế dư

thừa khi gửi dữ liệu trên môi trường truyền dẫn. Các trường thông tin tiêu đề

của các gói trong cùng một luồng không thay đổi nhiều trong suốt quá trình

truyền, bởi vậy việc các thông tin này thực sự gây lãng phí băng thông. Như

vậy một vấn đề đặt ra là cần nén tiêu đề này để hạn chế băng thông.

Nén header là cách mà không truyền lặp lại thông tin tiêu đề của các gói

trong suốt một phiên giao tiếp. Chú ý rằng nén tiêu đề thực hiện trên cơ sở

liên kết link – by – link, và không thể thực hiện qua nhiều router, bởi vì các

router cần đầy đủ thông tin trường tiêu đề lớp 3 để có thể định tuyến tới hop

kế tiếp.

Nén tiêu đề được thực hiện trên các giao tiếp ở các kết nối lớp truyền dẫn.

Khi các gói tin được chuyển đến thuật toán nén tiêu đề sẽ nén tiêu đề lớp 3 và

lớp 4 vào một khung và thay thế chúng bởi 1 session. các gói sẽ được gửi tới

đầu ra hàng đợi và được truyền tới trạm đầu xa. Tại đầu xa quá trình giải nén

được thực hiện và chuyển tiếp tới quá trình xử lý tiếp theo.

Với việc nén tiêu đề các khung lớp 2 sẽ nhỏ đi từ đó thời gian truyền cũng

giảm đi do đó giảm tổng trễ.

Thuật toán nén tiêu đề dược minh họa như 3.4

Tải tincHFHTải tinL4 (L5)IPFH

Hàng đợi Đầu raBộ chuyển tiếp Thuật toán nén

tiêu đề

Thuật toán nén tiêu đề giữ đường truyền

không thay đổiNén IP và các tiêu đề lớp cao hơn

Hình 3.4 Minh họa thuật toán nén tiêu đề

53

Có 2 phương thức nén tiêu đề đó là:

Nén tiêu đề TCP

Nén tiêu đề RTP

3.3.2.1 Nén tiêu đề TCP

Phần lớn các ứng dụng Internet sử dụng TCP như một giao thức truyền tải

và đa phần các thông tin tiêu đề TCP là cố định hoặc có thể đoán trước được

thông qua một phiên. Với việc nén TCP header (bao gồm IP 20 byte và TCP

20 byte header) có thể làm giảm tổng số cần truyền 40 byte còn 3-5 byte.

Hiệu quả nén TCP minh họa theo như hình 3.5

Hình 3.5 Minh họa hiệu quả nén TCP

Hiệu quả nén tiêu đề TCP được mô tả trong bảng 3-3

Kích cỡ

gói IP

Không nén

tiêu đề

Thời gian trễ

(trên 64 kbps)

Nén

tiêu đề

Thời gian trễ

(trên 64 kbps)

10 82% 7 ms 50% 2 ms

50 48% 12 ms 17% 7 ms

100 32% 18 ms 9% 13 ms

500 8% 67 ms 2% 62 ms

1500 3% 189 ms 1% 184 ms

Bảng 3-3 Hiệu quả nén tiêu đề TCP

3.3.2.2 Nén tiêu đề giao thức thời gian thực (RTP)

Real-Time Protocol (RTP) là giao thức chuẩn internet được sử dụng truyền

54

tải các dữ liệu thời gian thực RTP. Nó cung cấp các chức năng mạng truyền

dẫn đầu cuối đến đầu cuối phục vụ các ứng dụng như thoại, video hoặc dữ

liệu mô phỏng thông qua dịch vụ mạng đơn nhóm (unicast) hay đa nhóm

(multicast).

RTP bao gồm 2 phần tải tin và tiêu đề (header). Phần tải tin của RTP là

một giao thức nhỏ mà cung cấp khôi phục lại, phát hiện lỗi và nhận dạng nội

dung.

Phần tiêu đề của RTP là tương đối lớn, bao gồm IP header (IPH), User

Datagram Protocol (UDP) header, tạo nên IP/UDP/RTP header.

Để giảm thiểu lãng phí băng thông không cần thiết, nén RTP header là một

biến pháp hữu hiệu để tiết kiệm tài nguyên.

cRTP nén IP/UDP/RTP header trong gói tin RTP từ 40 bytes xuống còn

xấp xỉ 2 - 5 byte. việc giải nén có thể khôi phục lại trường tiêu đề mà không

gây mất mát thông tin. Cơ chế nén RTP được mô tả như hình vẽ 3.6

VOIP

Các góiTin đến

Hàng Đợi Tx

Các gói tin ra

Hàng đợi được cấu hình

Nén RTPRTP các lưu lượng (video,

Audio,...)

Không nén RTP

Nhận dạng lưu lượng RTP

Nén

IPHUDP IP DataRTP

12 8 12

IP Data

5

20 bytes ~ 240%~ 13%~ 2.3%

256 bytes1500 bytes

SQLFPT

Hiệu quả Tải tinKích thước gói giảm *

* ~ giảm 5ms đối với giao diện 64kbps

Phân lớp

Hình 3.6 Cơ chế nén tiêu đề RTP

55

cRTP là cơ chế nén hop-by-hop tương tự như nén tiêu đề TCP. cRTP làm

giảm chiều dài của tiêu đề do đó nó làm giảm được độ trễ. cRTP đặc biệt hữu

ích đói với tải tin có cỡ gói nhỏ ví như thoại VoIP có cỡ gói 20 bytes sử dụng

nén cRTP có thể làm giảm cỡ gói xấp xỉ 240%. Nó cũng rất hữu hiệu trong

các ứng dụng truyền tải cả lưu thoại và backbone đa hướng trên các liên kết

tốc độ thấp.

Không nên sử dụng cRTP trên bất cứ liên kết tốc độ cao nào (lớn hơn E1).

Chỉ nên sử dụng cRTP trên giao tiếp WAN tại đó băng thông xác định và lưu

lượng chủ yếu là dữ liệu RTP.

Trên các giao tiếp serial sử dụng đóng gói Frame Relay, HDLC hay PPP

đều hỗ trợ tính năng với cRTP. Bên cạnh đó cRTP cũng được hỗ trợ trên các

giao tiếp ISDN.

Kết luận: Phương thức phân loại, phân mảnh và nén gói dữ liệu giúp giảm

kích thước các gói tin và sắp xếp chúng theo thứ tự ưu tiên khi qua mạng.

Điều này là hết sức quan trọng, vì các gói tin sẽ trở nên linh hoạt hơn rất

nhiều khi tìm đường qua mạng, làm giảm trễ chuyển tiếp và xử lý, trong

trường hợp xảy ra tắc nghẽn nó vẫn đảm bảo cho các gói có quyền ưu tiên cao

hơn (như thoại) và không bị các gói có kích thước lớn làm tràn bộ đệm. Tuy

nhiên các phương pháp này lại làm phát sinh thêm trễ xử lý của CPU.

56

CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT QoS TRONG

ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN

Nói đến các kỹ thuật QoS người ta người nhắc nhiều đến cơ chế hàng đợi.

Ở trạng thái bình thường khi không có tắc nghẽn xảy ra các gói tin sẽ được

gửi đi ngay khi chúng được chuyển tới (đây còn gọi là quá trình bypass hệ

thống hàng đợi phần mềm). Trong trường hợp xảy ra tắc nghẽn trên một giao

diện nào đó, nếu như không áp dụng các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn, các

gói tin đến nhanh hơn có thể được gửi đi trước kết hợp với thời gian tắc nghẽn

kéo dài có thể phát sinh rớt gói, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ. Trong một

số trường hợp hiện tượng tắc nghẽn kéo dài, khả năng xử lý của CPU bị quá

tải rất dễ dẫn đến hiện tượng “treo” mạng, hoặc các gói bị loại bỏ nhiều gây

ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, do đó ngoài các cơ chế điều khiển tắc

nghẽn, các cơ chế tránh tắc nghẽn cũng cần được áp dụng trong các mạng hội

tụ. Tuy nhiên khi các dụng các kỹ thuật QoS này cũng làm phát sinh trễ mạng.

Trong chương này tác giả cũng giới thiệu một số lệnh cấu hình trên các thiết

bị của hãng Cisco để minh họa cho các cơ chế hàng đợi.

4.1 Tránh tắc nghẽn

Tránh tắc nghẽn là kỹ thuật giám sát tải trọng lưu lượng mạng nhằm tiên

đoán trước và ngăn chặn nghẽn mạch trước khi nó xảy ra trong mạng có “hiệu

ứng nút cổ trai” (bottlenect) thông qua biện pháp làm rớt gói. Có các phương

pháp tránh tắc nghẽn như sau:

Phương pháp bỏ đuôi (Tail drop).

Phương pháp loại bỏ ngẫu nhiên (RED).

Phương pháp loại bỏ cân bằng ngẫu nhiên (WRED - Weighted Random

Early Detection)

Tốc độ truy nhập cam kết.

57

Sử dạng lưu lượng.

4.1.1 Phương pháp bỏ đuôi (Tail drop)

Phương pháp bỏ đuôi là kỹ thuật kinh điển cho việc quản lý chiều dài hàng

đợi của router, ta đặt một chiều dài cực đại (theo gói) cho mỗi hàng đợi, chấp

nhận các gói vào hàng đợi cho đến khi đạt được chiều dài cực đại của hàng

đợi (thường gọi là đầy hàng đợi), sau đó bỏ những gói tin đến tiếp sau đó cho

đến khi chiều dài hàng đợi giảm xuống do một gói tin trong hàng đợi được

truyền đi.

Phương pháp bỏ đuôi rất đơn giản, nhưng nó có hai hạn chế đáng kể. Thứ

nhất, trong một vài trường hợp, nó cho phép một kết nối đơn hoặc một một

vài luồng để chiếm giữ khoảng trống hàng đợi, ngăn cản những kết nối khác

vào hàng đợi. Hiện tượng này thường là kết quả của sự đồng bộ hoặc các kết

quả định thời khác. Thứ hai, phương pháp bỏ đuôi cho phép hàng đợi duy trì

trạng thái đầy (hoặc gần đầy) trong một khoảng thời gian dài, sau đó nó sẽ

thông báo nghẽn nếu như hàng đợi bị đầy. Sự giảm kích thước hàng đợi ở

trạng thái ổn định có ý nghĩa quan trọng trong quản lý hàng đợi, bởi vì mặc dù

TCP (Transmission Control Protocol) ấn định một kích thước cửa sổ của

luồng thì các gói vẫn thường xuất hiện tại các router dưới dạng cụm (nhiều

gói cùng đến router trong một khoảng thời gian ngắn). Nếu như hàng đợi đầy

hoặc gần đầy thì sẽ dẫn đến có thể mất nhiều gói. Điều này có thể dẫn đến

việc đồng bộ toàn thể sự điều tiết (throttling) các luồng để giảm tổng thông

lượng.

Vấn đề của bộ đệm ở trong mạng là nhận những cụm dữ liệu và truyền

chúng trong khi các cụm tiếp theo chưa kịp đến. Điều này là cần thiết trong

việc truyền dữ liệu kiểu cụm. Giới hạn hàng đợi không phản ánh hàng đợi ở

trạng thái ổn định mà ta muốn duy trì trong mạng, thay vào đó nó phản ánh

kích thước của các cụm mà chúng ta muốn nhận.

58

Trong mạng NGN hay mạng ứng dụng trên nền IP (Internet Protocol),

việc loại bỏ gói là một cơ chế quan trọng của việc thông báo tắc nghẽn đến

các trạm (node) đầu cuối. Giải pháp về vấn đề đầy hàng đợi cho các router sẽ

làm cho các node đầu cuối đáp ứng được tắc nghẽn trước khi tràn hàng đợi.

Việc giải quyết trước này được gọi là quản lý hàng đợi động.

4.1.2 Phương pháp loại bỏ ngẫu nhiên (RED)

RED (Random Early Detection) được tìm ra bởi Sally Floyd và Van

Jacobson vào đầu những năm 90 của thập kỷ 20. RED là một phương thức để

báo hiệu tắc nghẽn. RED điều khiển cỡ hàng đợi trung bình bằng cách báo

hiệu cho 1 trạm giảm tốc độ hay ngừng truyền dữ liệu thông qua việc loại bỏ

một phần lưu lượng của trạm đó.

Khả năng loại bỏ gói trong cơ chế RED có thể được mô tả ở hình 4.1

Hình 4.1 Thuật toán RED

Khi quá trình tắc nghẽn xẩy ra RED bắt đầu làm rớt gói tại tốc độ mà đã

được thiết lập trên giao diện đó.

Khả năng rớt gói dựa trên cơ sở ngưỡng max, min và “mark probability

denominator” . Khi hàng đợi trung bình vợt quá giới hạn min thì quá trình rớt

gói bắt đầu xẩy ra. Tốc độ mất gói tăng tuyến tính với tốc độ tăng của hàng

minth maxthavg

Pmax

1

Drop probability

59

đợi và nó tăng cho tới khi đạt tới ngưỡng tối đa (max). Khi vượt quá ngưỡng

này tất cả các gói sẽ bị rớt.

Giá trị nghưỡng tối thiểu nên gán đủ lớn để tận dụng tối đa liên kết. Khi

giá trị này đặt quá nhỏ có thể phát sinh rớt gói không cần thiết.

4.1.3 Phương pháp loại bỏ cân bằng ngẫu nhiên (WRED)

Thuật toán RED không phải lúc nào cũng đảm bảo cho các luồng chia sẻ

băng thông một cách cân đối nhau. Trong thực tế, RED không ưu tiên đối với

các luồng TCP tốc độ thấp. Điều này là bởi vì RED bỏ ngẫu nhiên các gói khi

ngưỡng bị vượt quá. WRED (Weighted Random Early Detection) là phương

pháp tránh tắc nghẽn dựa trên việc tổ hợp các thuộc tính của thuật toán RED

và ưu tiên IP. WRED có thể lựa chọn loại bỏ lưu lượng có mức ưu tiên thấp

khi trên giao diện bắt đầu xẩy ra quá trình tắc nghẽn và cung cấp các đặc tính

tiêu chuẩn khác nhau cho các lớp dịch vụ khác nhau.

Với các giao diện được cấu hình sử dụng đặc tính giao thức dành sẵn tài

nguyên (RSVP), khi quá trình nghẽn xẩy ra WRED ưu tiên các luồng RSVP

hơn là các luồng dữ liệu khác trong quá trình loại bỏ gói để tránh tắc nghẽn.

Cũng giống như RED trong cơ chế của mình WRED loại bỏ gói một cách

ngẫu nhiên, từ đó thông báo tới trạm gốc giảm tốc độ truyền dẫn. Nếu trạm

gốc sử dụng TCP, nó sẽ làm giảm tốc độ của chính các gói đó cho tới khi tất

cả các gói có thể đến được đích.

WRED làm rớt gói dựa trên giá trị ưu tiên IP được gán cho mỗi gói. Các

gói có giá trị ưu tiên thấp hơn có khả năng bị làm rớt cao.

WRED khắc phục các điểm yếu của cơ chế Tail drop khi đầu ra giao diện

có nguy cơ bị tắc nghẽn nó sẽ thực hiện lựa chọn làm mất một số gói thay vì

chờ cho tới khi các hàng đợi được làm đầy mới thực hiện quá trình cắt gói.

WRED tránh làm mất một lượng lớn các gói trong tại một thời điểm từ đó nó

cho phép các đường truyền được sử dụng hữu ích tại mọi thời điểm.

60

WRED tránh được các vấn đề về sự đồng bộ xẩy ra khi sử dụng Tail drop

để tránh tắc nghẽn. Sự đồng bộ toàn bộ là quá trình xẩy ra khi nhiều trạm TCP

giảm tốc độ truyền dẫn để ngăn cản quá trình mất gói và cùng tăng tốc độ

truyền dẫn trở lại khi khả năng tắc nghẽn được giảm đi.

Chú ý rằng WRED chỉ hữu ích khi phần lớn lưu lượng là dữ liệu TCP/IP,

khi đó các gói bị rớt sẽ phát sinh thông báo nghẽn mạch để từ đó trạm phát

giảm tốc độ truyền dẫn của mình. Đối với các gói tin được đóng gói theo một

giao thức khác có thể trạm gửi không phát hiện quá trình mất gói xẩy ra, như

vậy có thể không ngăn chặn được quá trình nghẽn mạch.

Với các dữ liệu mà không thuộc dạng gói IP, WRED coi đó như là dữ liệu

có mức ưu tiên thấp nhất, Precedence 0, bởi vậy khả năng bị mất gói của nó là

cao hơn các dữ liệu IP.

Cơ chế làm việc của WRED được minh trong hình 4.2

Các gói tin đếnHàng đợi

Tx Các gói tin ra

Kiểm tra loại bỏ dựa trên: Kích thước của bộ nhớ đệm, IP precedence hoặc RSVP

Bộ đệm

Lập lịch FIFO

Kiểm tra loại bỏ

Phân lớp

Hình 4.2 Cơ chế hoạt động của WRED

Router sẽ tự động tính toán các thông số của WRED để xác định cỡ hàng

đợi trung bình. Cỡ hàng đợi trung bình được tính trên cơ sở cỡ hàng đợi trung

bình trước và cỡ hàng đợi hiện tại. Giá trị của nó được tính theo công thức

(5.1)

average = (old_average * (1 – 2-n)) + (current_queue_size * 2-n) (5.1)

61

Trong đó:

n: là hệ số trọng số và có thể cấu hình được.

average: Cỡ hàng đợi trung bình

old_average: Cỡ hàng đợi trung bình trước đó

current_queue_size: Kích thước hàng đợi hiện tại

Chúng ta nên chọn hệ số trọng số cho phù hợp nếu n quá lớn WRED sẽ

không tác động để chống tắc nghẽn, các gói tin sẽ được gửi hoặc bị rớt như

thể là không được cấu hình WRED, tuy nhiên việc lựa chọn n quá nhỏ WRED

sẽ phản ứng mãnh liệu với sự bùng nổ lưu lượng tạm thời và có thể làm mất

gói trong khi không thực sự cần thiết.

4.1.4 Tốc độ truy nhập cam kết (CAR)

CAR là một cơ cấu giám sát tốc độ cho phép người quản trị mạng đưa ra

các biện pháp xử lý để kiểm soát lưu lượng. Do CAR là một cơ chế kiểm soát

chứ không phải là cơ chế hàng đợi vì vậy nó không có bộ đệm (buffer) và nó

cũng không làm phát sinh trễ có thể cho phép truyền tốc độ cao.

4.1.4.1 Cơ chế hoạt động

Khi dữ liệu được gửi đến một giao tiếp, CAR thực hiện việc kiểm tra lưu

lượng sau đó so sánh tốc độ của lưu lượng với thông số thùng token “token

bucket” và đưa ra hành động tương ứng dựa trên cơ sở kết quả so sánh đó. Ví

dụ CAR sẽ làm rớt gói, sửa lại quyền ưu tiên IP hay cài khởi tạo lại các bit

ToS. Người quản trị mạng cũng có thể cấu hình CAR để truyền gói, loại bỏ

gói hoặc thiết lập quyền ưu tiên (xem hình 4.3).

62

Bộ đo(Meter)

Bộ phân lớp(Classifier)

Bộ đánh dấu(Marker)

Bộ rớt gói(Dropper)

Chuyển tiếp gói(Forwarding)

Bộ đo(Meter)

Bộ phân lớp(Classifier)

Bộ đánh dấu(Marker)

Bộ rớt gói(Dropper)

Hàng đợi(Queuing)

Hướng vào(Inbound)

Hướng ra(Outbound)

Hình 4.3 Sơ đồ khối của CAR

Lưu lượng chuyển đến đòi hỏi phải được nhận dạng phù hợp với các đặc

tính về tốc độ giới hạn, quyền ưu tiên hoặc cả hai. Cơ sở của việc định nghĩa

tốc độ giới hạn dựa trên 3 thông số sau:

Tốc độ trung bình, được xác định là tốc độ truyền dẫn trong một thời

gian dài. Đó là lưu lượng luôn dưới mức tốc độ giới hạn cho phép.

Cỡ khối trung bình, xác định lưu lượng lớn cỡ nào trước khi một vài

phần lưu lượng vượt quá tốc độ giới hạn cho phép.

Cỡ khối quá mức, xác định lưu lượng lớn cỡ nào trước khi tất cả lưu

lượng vượt quá tốc độ giới hạn cho phép (CAR ).

4.1.4.2 Các chức năng của CAR

Chức năng giới hạn tốc độ được thể hiện như sau:

Cho phép điều kiển tốc độ tối đa truyền hay nhận trên một giao diện.

Thực hiện điều khiển tại lớp 3 để điều khiển lưu lượng cụ thể nào đó

khi lưu lượng có thể phù hợp hoặc quá tải.

Nhà quản trị có thể giới hạn tốc độ dữ liệu dựa trên các đặc tính về

quyền ưu tiên, địa chỉ MAC (Medium Access Control) hoặc các thông

số khác. CAR thường được thiết lập tại các router biên (edge) trong tổ

chức của một mạng để giới hạn tốc độ truyền dữ liệu đi và đến mạng.

63

Lưu đồ thuật toán CAR được minh họa họa ở hình 4.4

Lớp 1? CAR

Lớp 2?

Lớp n?

CAR

CAR

Truyền

Truyền

Truyền

Tiếp

Tiếp

Rớt

Rớt

Rớt

Hàng đợi đầu ra hoặc chuyển tiếp

.

.

.

Hình 4.4 Lưu đồ chức năng của CAR

Khi CAR có hiệu lực, lưu lượng sẽ được đi vào phân lớp đầu tiên rồi đưa

vào quá trình xử lý CAR. Sau đó CAR đo lưu lượng và trên kết quả đo của

CAR cho biết lưu lượng có thể phù hợp hoặc vượt quá mức chính sách đã cấu

hình.

Có 3 hành động cơ bản có thể xẩy ra trên mỗi gói, phụ thuộc vào các gói đó

hợp hay vượt quá so với chính sách:

Truyền (Transmit): gói được gửi đi.

Rớt (Drop): Gói bị loại bỏ.

Tiếp (Continue): Gói được đưa tiếp đến chính sách về tốc độ tiếp theo

trên dây truyền giới hạn tốc độ. Nếu không còn chính sách nào khác thì

gói sẽ được chuyển đi.

Như đã đề cập ở phần trước, CAR cũng có thể được đánh dấu hoặc đánh

dấu lại lưu lượng cũng như thực hiện giới hạn tốc độ. Phụ thuộc vào hình

dạng lưu lượng các hành động đánh dấu hoặc tái đánh dấu có thể được thực

hiện trong xử lý CAR như:

64

Đặt Precedence hoặc giá trị DSCP và phát đi- IP Precedence ToS hoặc

bit DSCP trong header của gói được viết lại. Sau đó gói được phát đi.

Hành động này có thể đánh dấu hoặc tái đánh dấu các gói.

Đặt bit MPLS experimental và truyền- bit experimental MPLS có thể

được thiết lập. Thường sử dụng các tham số QoS báo hiệu trong MPLS.

Đặt QoS group và phát-QoS group có thể được đặt. Nó chỉ được sử

dụng trong router nội tại (local router). QoS group có thể được dùng

trong cơ chế QoS cuối cùng và thực hiện trên cùng một router, như là

CB-WFQ.

4.1.4.3 Mô hình chiếc thùng và thẻ bài

Thưc hiện cơ chế đo lưu lượng bằng mô hình chiếc thùng và thẻ bài được

chỉ ra trong hình 4.5

Số thẻ được thêm vào cứ sau mỗi khoảng thời gian Tc [ms]

Tc = Bc / CIR

Bc + Be

Hình 4.5 Mô hình chiếc thùng và thẻ bài

Mô hình chiếc thùng và thẻ bài (Token Bucket) là một mô hình để xử lý

bất kỳ một gói mới nào đi đến. Mỗi một thẻ (Token) đại diện sự cho phép gửi

một số lượng bit cố định vào mạng. Bucket (cái thùng) là khả năng giữ một số

lượng thẻ bài nào đó. Nếu bucket được điền đầy, thì các gói mới đến sẽ bị lờ

đi, không có thẻ bài cho các gói đến sau, do vậy các gói sẽ bị drop. Ví dụ

Token bucket với khả năng có thể là 700 bytes, khi một gói 500 byte đi đến

giao diện, kích thước của gói sẽ được so sánh với Bucket và gói 500 byte này

được lấy thẻ bài. Khi một gói 300 byte tiếp theo đến ngay sau gói thứ nhất,

65

gói này không được nhận thẻ bài vì trong bucket chỉ còn có 200 thẻ cho gói

tiếp theo, nên gói này bị drop. Thực hiện token bucket dựa vào 3 tham số

CIR, Bc, Be.

CIR (Committed Information Rate) là tốc độ thông tin cam kết và cũng

được gọi là tốc độ cam kết hoặc tốc độ được định dạng.

Bc được biết đến như là khả năng bùng nổ nằm trong giới hạn,

Be là khả năng bùng nổ quá giới hạn.

Tc là chu kỳ mà số thẻ được thêm vào.

4.1.5 Sửa dạng lưu lượng (GTS)

Một trong những nguyên nhân gây ra nghẽn là sự bùng phát lưu lượng.

Nếu các nguồn tin được truyền theo tốc độ chuẩn thì có thể hạn chế đáng kể

hiện tượng nghẽn. Ý tưởng này được sử dụng rộng rãi trong một số mạng tốc

độ cao. Cụ thể là để người sử dụng được lợi ích tối đa từ mức QoS do mạng

cung cấp, thiết bị kết nối mạng phải đảm bảo gói gửi đến mạng phải phù hợp

với các thông số trong hợp đồng lưu lượng. Các tiêu chuẩn thực thi gồm các

phương pháp nhằm đạt được mục đích này gọi là sửa dạng lưu lượng GTS

(Generic Traffic Shaping).

4.1.5.1 Đặc điểm của GTS

Sửa dạng lưu lượng cho phép người quản trị điều khiển lưu lượng đầu

ra của một giao diện phù hợp với các yêu cầu giữa tốc độ trạm đầu xa

và chỉ tiêu của giao diện mà đã được thỏa thuận trước. Từ đó loại trừ

hiệu ứng nút cổ trai xẩy ra trong mạng.

Sửa dạng lưu lượng cho phép thực hiện điều khiển truy nhập băng

thông khả dụng, bên cạnh đó nó cũng có tính năng ngăn cản quá tình

làm mất gói.

66

Sửa dạng lưu lượng cũng có thể sử dụng để giới hạn tốc độ truyền dẫn.

Người sử dụng có thể giới hạn tốc độ truyền dẫn theo một trong các đặc

tính sau:

• Tốc độ được thiết lập.

• Tốc độ của trạm gửi dựa trên mức tắc nghẽn

Sửa dạng lưu lượng làm “nhẵn” lưu lượng bằng cách lưu giữ lưu lượng

có tốc độ lớn hơn tốc độ được thiết lập trong một hàng đợi.

4.1.5.2 Cơ chế hoạt động của GTS

GTS bao gồm các khối chức năng (xem hình 4.6) như sau:

Bộ phân lớp lưu lượng: Phân loại các lớp lưu lượng khác nhau để có

thể có các chính sách được áp dụng khác nhau.

Bộ đo (Metering): Dùng cơ chế token-bucket để phân biệt lưu lượng

thỏa mãn và lưu lượng quá ngưỡng.

Định dạng: Dùng buffer để trễ những lưu lượng vượt quá tốc độ, và sửa

dạng chúng tới một tốc độ giới hạn đã được cấu hình. GTS được thực

hiện như cơ chế hàng đợi, trong đó có các hàng đợi trễ WFQ riêng biệt

được thực hiện cho mỗi lớp lưu lượng. Mỗi hàng đợi trễ các gói cho tới

khi chúng thỏa mãn tốc độ giới hạn, và cũng sắp xếp chúng theo thuật

toán WFQ. Sau đó lưu lượng được thỏa mãn sẽ được gửi tới giao diện

vật lý.

67

Sửa dạngWFQ

Bộ phân lớp

Bộ phân lớp

Bộ phân lớp

Sửa dạngWFQ

Sửa dạngWFQ

Bộ chuyển tiếp

Giao diện vật lý (hàng đợi)

có

có

có

có

có

có

không

không

không

không

không

không

Hình 4.6 Sơ đồ các khối chức năng của GTS

Đầu tiên các gói được đưa tới các bộ phân loại, sự phân lớp có thể được

thực hiện bằng access-list. Một gói được phân lớp đi vào một lớp định dạng,

kích thước của chúng được so sánh với số lượng thẻ bài có thể trong token

bucket của lớp đó. Gói được chuyển tiếp tới hàng đợi giao diện chính nếu đủ

thẻ bài. Nếu không đủ thẻ bài cho các gói chuyển tiếp, các gói nằm trong bộ

đệm (buffer) trong hệ thống WFQ được gán cho lớp định dạng này. Sau đó

router làm đầy token bucket định kỳ và kiểm tra nếu đủ thẻ bài cấp cho các

gói chuyển tiếp. Các gói được xếp ra khỏi hàng đợi định dạng tùy thuộc vào

thuật toán sắp xếp WFQ.

4.1.5.3 Kết luận

GTS thực thi trong phiên bản router hỗ trợ đa giao thức và làm việc trên

nhiều loại giao diện khác nhau. WFQ được dùng như hàng đợi trễ định dạng,

cho phép sự sắp xếp công bằng trong một lớp lưu lượng. GTS có thể thực

hiện kết hợp với các cơ chế hàng đợi khác như: FIFO, PQ, CQ, WFQ. GTS

chỉ làm việc ở đầu ra của giao diện. GTS có thể được dùng để định dạng tất cả

lưu lượng đầu ra trên giao diện hoặc nó có thể chia thành nhiều lớp định dạng.

68

Quản lý nghẽn là cơ chế các phần tử mạng xử lý các luồng lưu lượng chuyển

đến nhằm hạn chế hay loại trừ các khả năng tắc nghẽn có thể xẩy ra. Các đặc

tính quản lý tắc nghẽn của QoS cho phép các cơ chế điều khiển tắc nghẽn

thông qua việc xác lập thứ tự các gói tin sẽ được chuyển tới đầu ra dựa trên cơ

sở thứ tự ưu tiên tương ứng. Trong chương này sẽ phân tích việc ứng dụng

công nghệ lập lịch và hàng đợi trong quản lý tắc nghẽn.

4.2 Điều khiển tắc nghẽn

Việc điều khiển tắc nghẽn đòi hỏi xây dựng các cơ chế hàng đợi, các gói

tin sẽ được ‘tích tụ’ tại giao diện tạo thành hàng đợi và được gửi đi ngay khi

có thể. Thứ tự các gói tin được gửi đi tùy theo giá trị ưu tiên của chúng và

phương thức xử lý hàng đợi được cấu hình trên cổng giao diện. Nói cách khác

hàng đợi trên router là cần thiết để điều chỉnh sự bùng nổ khi tốc độ gói đến

lớn hơn tốc độ gói xuất phát vì một trong 2 lý do sau:

Giao diện đầu vào nhanh hơn giao diện đầu ra.

Giao diện đầu ra thu nhận các gói đến từ nhiều giao diện khác nhau.

Lúc đầu tiên thực hiện hàng đợi chỉ sử dụng một chiến lược đơn FIFO. Sau

đó nhiều cơ chế hàng đợi được đưa vào phục vụ khi những yêu cầu cụ thể cần

các router phân biệt giữa các gói có độ quan trọng khác nhau.

Hàng đợi được chia ra làm 2 thành phần:

Hệ thống hàng đợi phần cứng (hardware queue): Vẫn dùng theo chiến

lược FIFO, cần thiết cho giao diện chuyển phát từng gói một. Hàng đợi

phần cứng thỉnh thoảng cũng được biết đến như là transmit queue hay

TxQ.

Hệ thống Hàng đợi phần mềm (Software queue) sắp xếp các gói trong

hhardware queue dựa trên cơ sở các yêu cầu QoS.

69

Trong kỹ thuật QoS có 4 loại cơ chế hàng đợi được sử dụng, mỗi một cơ

chế có các nguyên tắc sắp xếp hàng đợi và xử lý tắc nghẽn khác nhau:

FIFO (First In First Out).

WFQ (Weighted Fair Queuing).

CQ (Custom Queuing).

PQ (Priority Queuing).

4.2.1 Hàng đợi vào trước ra trước (FIFO)

Đối với các mạng đơn giản hàng đợi dạng FIFO (First In First Out) thường

được áp dụng, nó không đòi hỏi các khái niệm về quyền ưu tiên hay phân loại

lưu lượng. Cơ chế thực hiện của FIFO là: Vào trước ra trước.

4.2.1.1 Các ưu nhược điểm của hàng đợi FIFO

Ưu điểm của FIFO bao gồm:

Đơn giản và nhanh.

Hỗ trợ trên tất cả các thiết bị.

Hỗ trợ tất cả các đường chuyển mạch (switching paths).

Hỗ trợ tất cả các phiên bản phần mềm.

Nhược điểm:

FIFO không cấp băng thông cân bằng giữa các luồng. Một vài luồng

nhận được băng thông nhiều hơn bởi vì chúng sử dụng các gói lớn hơn

hoặc gửi nhiều gói hơn.

FIFO cực kỳ không cân bằng khi một luồng lớn tranh chấp với một

luồng nhỏ (fragile flow). Luồng lớn gửi một số lượng lớn các gói và khi

tràn hàng đợi sẽ có nhiều gói trong đó bị drop. Luồng nhỏ gửi một số

lượng gói vừa phải và hầu hết chúng bị drop bởi vì hàng đợi luôn bị

đầy do luồng lớn. Loại quan hệ này được gọi là Starvation (sự thiếu

hụt).

70

4.2.1.2 Cấu hình FIFO

Khởi tạo hàng đợi FIFO trên giao diện (xem hình 4.8)

FIFO mặc định được thiết lập trên các giao diện tốc độ lớn hơn 2M.

WFQ là mặc định được thiết lập trên các giao diện tốc độ nhỏ hơn 2M.

Lệnh này dùng để không cho phép WFQ và khởi tạo FIFO.

Hình 4.8 Ví dụ cấu hình hàng đợi FIFO

Cấu hình bộ nhớ đệm hàng đợi FIFO.

Hàng đợi FIFO cho phép tối đa 40 gói được lưu lại trong hàng đợi đầu

ra.

Câu lệnh này có thể được dùng để tăng hoặc giảm số lượng gói tối đa

trong bộ đệm gói.

Một giá trị lớn có thể được đặt để hỗ trợ sự bùng nổ dài hơn (drop ít

hơn, chiếm nhiều bộ đệm được dùng).

Giá trị nhỏ có thể được thiết lập để tránh sự bùng nổ (drop nhiều hơn).

71

4.2.2 Hàng đợi tuần tự (CQ)

CQ (Custom Queuing) thực hiện phục vụ các hàng đợi theo cơ chế tuần tự,

nó thực hiện truyền phần trăm lưu lượng trên mỗi hàng đợi trước khi chuyển

đến hàng đợi kế tiếp bởi vậy nó có khả năng đảm bảo cho một vài mức dịch

vụ hay toàn bộ lưu lượng được truyền tải.

4.2.2.1 Cơ chế hoạt động

Hàng đợi CQ cho phép người sử dụng (user) định ra phần trăm băng thông

khả dụng cho một dịch vụ đặc biệt nào đó. Nghĩa là CQ cho phép người dùng

chỉ định số lượng byte xác định từ hàng đợi sẽ được gửi đi dựa trên cơ sở tốc

độ giao tiếp và phần trăm lưu lượng được cấu hình. CQ cũng cho phép người

dùng chỉ định số lượng tối đa các gói được sắp xếp trong hàng đợi và có thể

định nghĩa lên tới 17 hàng đợi, trong đó hàng đợi số 0 được dùng cho hàng

đợi của hệ thống, hàng đợi hệ thống có thứ tự ưu tiên cao nhất, hàng đợi này

là rỗng trước khi có bất kỳ hàng đợi dữ liệu nào được tham gia xử lý, nó

mang các thông tin báo hiệu và các thông điệp của hệ thống.

Cơ chế hoạt động của CQ được mô tả theo hình vẽ 4.9

72

Hình 4.9 Cơ chế hoạt động của CQ

Trong hình vẽ 4.9 CQ sử dụng kỹ thuật lập lịch (scheduling) round-robin,

trong đó mỗi hàng đợi được cấu hình với một số byte (byte-count) mà nó có

thể gửi đi trong một vòng. Gói cuối cùng luôn luôn được gửi, thậm chí tổng

số byte được gửi trong một chu kỳ lớn hơn giới hạn (byte-count). Như vậy

việc thiết lập số lượng byte giới hạn quá nhỏ có thể phát sinh những vấn đề

không mong đợi trong việc phân phối băng thông. Tuy nhiên khi số lượng

byte giới hạn được thiết lập quá lớn thì có thể phát sinh thời gian chờ được

phục vụ của hàng đợi tiếp theo. Do đó việc xác định số lượng byte phải dựa

trên cỡ gói trong mỗi giao thức nếu không tỉ lệ phần trăm phân phối băng

thông sử dụng sẽ không giống như các thông số được cấu hình.

Hình 4.10 sẽ minh họa một trường hợp xấu nhất trong đó các tham số được

sử dụng để thực thi CQ trên giao diện như sau:

MTU trên giao diện là 1500.

Byte-count là 3000.

73

Hình 4.10 Một trường hợp xấu nhất xảy ra đối với hàng đợi CQ

Theo ví dụ trên hình 4.10 tổng số bytes hai gói dữ liệu là 2999 byte mà

byte-count là 3000. Do đó router sẽ gửi tiếp các byte ở gói tiếp theo, nghĩa là

tại hàng đợi đó router sẽ gửi 4499 byte, sau đó mới phục vụ hàng đợi tiếp

theo. Đây cũng là một trong những nhược điểm của CQ.

Vậy ta phải xác định byte-count là bao nhiêu? Nếu tỷ số byte-count/MTU

quá nhỏ CQ sẽ không phân phối băng thông chính xác. Nếu tỷ số này quá lớn

CQ sẽ là nguyên nhân của trễ. Sau đây chúng ta phân tích một ví dụ về tính

toán băng thông và độ trễ tối đa.

Ta xét một hệ thống gồm 3 hàng đợi CQ như hình vẽ 4.11 trong đó:

Hàng đợi thứ nhất dùng byte-count là 4500.

Hàng đợi thứ 2 dùng byte-count là 3000.

Hàng đợi thứ 3 dùng byte-count là 1500.

Hàng đợi 1

Hàng đợi 2

Hàng đợi 3

15002999

30004499

45005999

Bộ lập lịch

Round R

obin

64 kbps

MTU = 1500

Hình 4.11 Minh họa tính toán băng thông và độ trễ tối đa

74

Việc tính toán đảm bảo băng thông và độ trễ tối đa (theo công thức 4.1).

Thời gian hoàn thành một vòng phụ thuộc vào băng thông của giao diện, kích

thước MTU, và tổng số của tất cả byte-count hàng đợi.

BW1 = bc1 / (bc1 + bc2 + bc3) = 4500/9000 = 50%

Td1 = (bc2 + bc3) / B = (3000+1500)*8/64000 = 562 ms (4.1)

Tw1 = ((bc2 + 1499) + (bc3 +1499)) / B

= (3000+1499 + 1500+1499)*8/64000 = 937 ms

Trong đó:

BW1(%): Tỷ lệ % chiếm băng thông của hàng đợi 1

bc1, bc2, bc3 (byte): Là các ngưỡng (byte – count) của hàng đợi 1, 2, 3

Td1(s): Thời gian trễ của hàng đợi 1

Tw1(s): Thời gian trễ trong trường hợp xấu nhất của hàng đợi 1

B (b/s): Dải thông của giao diện đầu ra

Phép tính thứ nhất và thứ hai chỉ ra rằng hàng đợi đầu tiên sẽ nhận băng

thông xấp xỉ là 50% băng thông và thời gian trễ là 562ms. Phép tính thứ ba

chỉ ra rằng round-robin delay là 937ms cho hàng đợi thứ nhất khi tất cả các

lớp nghẽn và gửi số lượng byte tối đa (byte-count + MTU-1) trong một vòng.

Tính toán tương tự đối với hàng đợi thứ 2 ta có: Tỉ lệ chiếm băng thông

xấp xỉ là 33%, thời gian trễ là 750ms, thời gian trễ trong trường hợp xấu nhất

xấp xỉ là 1125ms.

Đối với hàng đợi thứ 3 ta có: Tỉ lệ chiếm băng thông xấp xỉ là 17%, thời

gian trễ xấp xỉ là 936ms, thời gian trễ trong trường hợp xấu nhất xấp xỉ là

1312ms.

Căn cứ vào số liệu được tính toán, ta thấy các tham số được cấu hình trong

hàng đợi thứ 1 là tối ưu hơn cả.

75

4.2.2.2 Những ưu nhược điểm của hàng đợi CQ

Ưu điểm:

Đảm bảo thông lượng cho các lớp lưu lượng (tránh sự thiếu hụt giữa

các lớp lưu lượng).

Hỗ trợ trên hầu hết các platform.

Hỗ trợ trong hầu hết các phiên bản phần mềm (Cisco IOS version 10.0

trở lên).

Nhược điểm:

Cấu hình bằng tay tại mỗi hop.

Cấp băng thông không chính xác.

Độ jitter cao do thực thi sự sắp xếp.

4.2.2.3 Cấu hình thực thi hàng đợi CQ

Khởi tạo CQ trên một giao diện và gán CQ xác định vào giao diện.

Phân lớp các gói dựa trên giao thức. Các gói không phân lớp sẽ được sắp

xếp vào hàng đợi mặc định

Phân lớp các gói thành lớp dựa trên giao diện đầu vào.

Xác định byte-count, mặc định là 1500 bytes.

Xác định số gói tối đa trong một hàng đợi. Mặc định là 20.

76

Đặt hàng đợi thấp nhất: Q1 có ưu tiên cao nhất, hàng đợi mặc định Q0

luôn luôn được coi là “pre-emptive” chứa các thông tin về hệ thống và các

bản tin link-level.

Hình 4.12 minh họa một ví dụ cấu hình CQ trên router của một chi nhánh

văn phòng:

Một chi nhánh văn phòng

Mạng lõi(WAN)

E0

E1 interface serial 1/0 custom - queue-list 5 ! queue-list 5 protocol ip 1 list 101 queue-list 5 queue 1 limit 40 queue-list 5 lowest-custom 2 queue-list 5 interface ethernet 0/0 2 queue-list 5 queue 2 byte-count 3000 queue-list 5 protocol ip 3 queue-list 5 queue 3 byte-count 5000 queue-list 5 default 4 ! access-list 101 permit ip any any precedence 5

Hình 4.12 Ví dụ cấu hình hàng đợi CQ

Trong ví dụ hình 6.8

Q1 được dùng cho các ứng dụng nhạy cảm với trễ (được đánh dấu với

IP precedence 5.

Q2 dùng cho tất cả các gói đến từ giao diện Ethernet 0/0.

77

Q3 được dùng cho tất cả các gói IP mà không phải là một trong 2 hàng

đợi đầu tiên.

Q4 được dùng cho tất cả các lưu lượng khác.

4.2.3 Hàng đợi ưu tiên (PQ)

PQ (Priority Queuing) thường được sử dụng trong các ứng dụng ưu tiên

một loại lưu lượng, tuy nhiên nó cũng có thể mở rộng với tất cả các loại dịch

vụ khác. Đối với PQ các hàng đợi có thứ tự ưu tiên thấp có thể phát sinh ảnh

hưởng bất lợi, chúng có thể không bao giờ được gửi đi nếu như băng thông

truyền tải bị giới hạn hay tốc độ truyền dẫn không đáp ứng được dung lượng

các dạng lưu lượng được gửi tới.

4.2.3.1 Cơ chế hoạt động

Trong qúa trình truyền dẫn các gói sẽ được phân loại thành 4 mức (cao,

thông thường, trung bình và thấp) dựa trên các tiêu chuẩn của người quản lý,

sau đó chúng sẽ được sắp xếp vào các hàng đợi trên cơ sở các mức ưu tiên.

Cơ chế làm việc của PQ được mô tả theo hình vẽ 4.13

Phân lớp

Các gói tin đếnHàng đợi

Tx Các gói tin ra

Phân lớp bởi:Các giao thức (IP, TPX, Apple Talk,...)

Các giao diện nguồn (E0, S0,…)

High

Chiều dài được định nghĩa bởi giới hạn hàng đợi

Bộ đệm Các giao diện phần cứng như:Ethernet, Serial Link, Frame Relay, ATM

Medium

Normal

Low

Hình 4.13 Cơ chế hoạt động của PQ

78

Theo hình vẽ 4.13, chiều dài tối đa của hàng đợi được định nghĩa thông qua

chiều dài giới hạn, khi hàng đợi dài quá chiều dài giới hạn thì tất cả các gói

nằm ngoài giới hạn hàng đợi đó sẽ bị rớt.

Việc phân loại các gói có thể dựa trên các đặc tính sau:

Kiểu giao thức.

Giao diện đầu vào.

Các thông tin của mạng luôn luôn được gán thứ tự ưu tiên cao nhất, tất cả

các thông tin về quản lý lưu lượng khác cũng phải được cấu hình. Các gói

không được phân loại bằng cơ chế danh sách ưu tiên sẽ được sắp xếp vào

hàng đợi thông thường.

4.2.3.2 Các ưu nhược điểm của hàng đợi ưu tiên

Ưu điểm:

Cho trễ truyền thấp đối với các gói có ưu tiên cao.

Hỗ trợ hầu hết trên các thiết bị.

Hỗ trợ trong hầu hết các phiên bản phần mềm (Cisco IOS 10.0 trở lên).

Nhược điểm:

Cấu hình phân lớp bằng tay trên các hop.

Sự thiếu hụt của mức ưu tiên thấp nếu mức ưu tiên cao bị nghẽn.

4.2.3.3 Cấu hình thực thi hàng đợi ưu tiên

Việc thiết lập cấu hình hàng đợi PQ được thực hiện theo 4 bước chính sau:

Bước 1: Cấu hình phân lớp.

Bước 2: Lựa chọn một hàng đợi.

Bước 3: Đặt kích thước tối đa hàng đợi.

Bước 4: Áp dụng danh sách ưu tiên trên lưu lượng đầu ra trên một hoặc

nhiều giao diện.

Bước 1: cấu hình phân lớp:

Phân lớp các gói vào PQ dựa vào giao thức

79

Dùng lệnh priority-list cấu hình phân lớp dựa vào các giao thức lớp 3.

Phân lớp dựa vào giao diện đầu vào.

Bước 2 + 3: Xác định kích thước tối đa của từng hàng đợi ưu tiên.

PQ dùng các thông số kích thước hàng đợi mặc định bao gồm:

High queue mặc định là 20.

Medium queue mặc định là 40.

Normal queue mặc định là 60.

Low queue mặc định là 80.

Bước 4: Áp dụng danh sách ưu tiên trên lưu lượng đầu ra trên một hoặc

nhiều giao diện:

Lệnh priority-group áp dụng một priority-group vào một giao diện.

Hình vẽ 4.14 minh họa một ví dụ cấu hình hàng đợi ưu tiên trên các giao diện:

80

Một chi nhánh văn phòng

Mạng lõi(WAN)

Interface serial0 Priority - group 1

priority-list 1 protocol ip high list 101 priority-list 1 interface ethernet 0 medium priority-list 1 default normal priority-list 1 queue-limit 20 40 60 80

access-list 101 permit tcp any any eq 23

E0

E1

Hình 4.14 Một Ví dụ cấu hình hàng đợi PQ

Trong hình vẽ 6.5 ta nhận thấy:

Tất cả các telnet outbound được vào hàng đợi có yêu tiên cao.

Tất cả lưu lượng vào router từ ethernet 0 được chuyển tiếp vào hàng

đợi medium.

Tất cả lưu lượng còn lại đi vào hàng đợi mặc định.

4.2.3.4 Kết luận

Khi lựa chọn sử dụng PQ cần chú ý rằng việc cấu hình không thích hợp có

thể phục vụ một hàng đợi hoàn tất mà không để ý tới các dịch vụ khác. Trong

trường hợp tồi nhất dịch vụ trong hàng đợi có thứ tự ưu nhiên thấp nhất có thể

không bao giờ được gửi đi. Để giải quyết vấn đề này chúng ta có thể sử dụng

cơ chế tốc độ truy cập cam kết (CAR) hoặc sửa dạng lưu lượng (GTS) để giới

hạn tốc độ cho các lưu lượng có thứ tự ưu tiên cao hơn.

81

4.2.4 Hàng đợi cân bằng trọng số (WFQ)

WFQ (Weighted Fair Queuing) xây dựng hàng đợi dựa trên cơ sở trọng số,

từ đó nó đảm bảo xử lý công bằng cho toàn bộ lưu lượng truyền tới cổng giao

diện. Đặc biệt trong các thiết bị router các giao tiếp có tốc độ nhỏ hơn hoặc

bằng 2Mbps chế độ mặc định sử dụng là WFQ.

4.2.4.1 Cơ chế hoạt động

WFQ được biết đến như một giải pháp để khắc phục nhược điểm trong các

cơ chế hàng đợi FIFO, PQ, CQ bằng các chức năng sau (xem hình 4.15):

Có hàng đợi chuyên dụng cho mỗi luồng (không có sự thiếu hụt:

starvation, delay, jitter trong hàng đợi).

Dùng IP precedence như là trọng số khi cấp băng thông.

WFQ dùng các phân lớp tự động, không hỗ trợ phân lớp nhân công.

WFQ loại bỏ gói (drop) hầu hết trên các luồng.

Khối lập lịch WFQ giống như hệ thống TDM (Time Division

Multiplex). Băng thông được phân bổ công bằng và chính xác giữa tất

cả các luồng (đảm bảo dịch vụ, tối thiểu hóa trễ sắp xếp).

WFQ được hỗ trợ trên hầu hết các giao diện của router cũng như giao

diện đa năng (VIP - Versatile Interface Processors).

82

Bộ lập lịch hàng đợi

Hình 4.15 Cơ chế hoạt động của WFQ

Có 2 tham số mà ảnh hưởng đến chính sách rớt các gói của cơ chế hàng đợi

WFQ là:

Ngưỡng lọai bỏ nghẽn (Congestive discard threshold: CDT) được dùng

bắt đầu drop gói của hầu hết các luồng thậm chí trước cả đạt đến giới

hạn hold-queue.

Hold-queue được xác định là tổng số gói lớn nhất có thể được xếp hàng

trong hệ thống WFQ ở mọi thời điểm. Hay nói cách khác HQO (Hold-

queue) là số lượng gói lớn nhất mà hệ thống WFQ có thể giữ (hold).

Sau đây chúng ta xét một ví dụ sử dụng WFQ trong mạng IP. Trong ví dụ

này ta dùng đường truyền dẫn WAN 128kbp để truyền thoại không dùng

RSVP. Giả sử rằng VoIP dùng phương thức mã hóa (codec) theo chuẩn G729

thì nó sẽ sử dụng băng thông xấp xỉ là 30kbp (bao gồm cả RTP, UDP, IP và

Header).

Tất cả các gói thoại được đánh dấu là 5 (IP precedence 5) và được tính như

là 6 phiên dữ liệu

83

1 phiên VoIP, 5 phiên dữ liệu: thoại chiếm băng thông

[6/(6+5)]*128=69kbp lớn hơn tốc độ thoại yêu cầu, đủ băng thông cho

1 phiên thoại.

1 phiên VoIP, 20 phiên dữ liệu: [6/(6+20)]*128=29kbp ảnh hưởng đến

thoại.

Có 3 kiểu hàng đợi cân bằng trọng số (WFQ) là:

Flow – based WFQ (WFQ)

Class – based WFQ (CBWFQ)

VIP – Distributed WFQ (DWFQ)

4.2.4.2 Hàng đợi cân bằng trọng số phân loại lưu lượng (FBWFQ)

Flow – based WFQ (gọi tắt là WFQ) sử dụng các mức ưu tiên để nhận

dạng lưu lượng và phân loại lưu lượng thành các luồng khác nhau, Mỗi luồng

được gán một trọng số, trọng số này xác định thứ tự truyền đi cho các gói

trong hàng đợi, luồng có trọng số nhỏ nhất sẽ được phục vụ trước nhất.

Cũng giống như CQ, WFQ cũng gửi số lượng bytes từ mỗi hàng đợi. Trên

thực tế trong mỗi chu kỳ truyền dữ liệu, WFQ gửi số lượng bytes tương ứng

với mức ưu tiên của mỗi luồng đó cộng thêm 1. Số này chỉ được sử dụng như

một tỉ lệ để xác định bao nhiêu bytes trong mỗi gói tin được gửi đi.

Để xác định lượng băng thông cho mỗi hàng đợi ta thực hiện chia số bytes

của mỗi luồng cho tổng số bytes của tất cả các luồng. Ví dụ Nếu ta có các

luồng với các mức ưu tiên thì mỗi luồng được gán mức ưu tiên cộng với 1.

1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 = 36

Như vậy lưu lượng có mức ưu tiên 0 sẽ chiếm 1/36 băng thông, lưu lượng

mức 1 sẽ chiến 2/36 băng thông và lưu lượng mức 7 sẽ chiếm 8/36 băng

thông.

Tuy nhiên khi số lượng luồng ở 1 mức ưu tiên nào đó tăng hay giảm thì

việc phân phối sẽ thay đổi. Ví dụ 18 luồng mức 1 Khi đó:

84

1 + 2 * 18 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 = 70

Lưu lượng ưu tiên mức 0 sẽ là 1/70, mức 1 sẽ là 2/70 và mức 7 sẽ là 8/70.

Có 2 kiểu luồng dữ liệu là:

Luồng dữ liệu cỡ nhỏ (Low-bandwith).

Luồng dữ liệu cỡ lớn (High-bandwith).

Các luồng lưu lượng cỡ nhỏ (như Telnet, dịch vụ ưu đãi) có mức ưu tiên

hóa cao hơn và được gửi đi ngay khi băng thông khả dụng, các luồng dữ liệu

cỡ lớn (như FTP) chia sẻ khả năng còn lại trên những phần băng thông tương

ứng hay một phần nào đó.

Trong các luồng dữ liệu lớn khi vượt quá ngưỡng cho phép các bản tin mới

đến sẽ bị loại bỏ. Tuy nhiên trong các luồng dữ liệu cỡ nhỏ nhờ có các gói

thông điệp “Conversation” quản lý bản tin, các bản tin mới đến vẫn tiếp tục

được gắn vào hàng đợi dữ liệu.

Ngoài ra WFQ còn có khả năng quản lý các luồng dữ liệu kép, ví dụ như

các thông tin thoại và video.

4.2.4.3 Hàng đợi cân bằng trọng số phân lớp lưu lượng (CBWFQ)

CBWFQ (Class – based Weighted Fair Queuing) mở rộng chức năng của

WFQ cung cấp phương thức định nghĩa các lớp lưu lượng dựa trên các tiêu

chuẩn phù hợp bao gồm loại giao thức, các danh sách điều khiển truy nhập và

các giao tiếp đầu vào (xem hình 4.16). Các gói tin thỏa mãn các đặc tính cho

một lớp cấu thành lưu lượng của chính lớp đó. Nghĩa là trọng số được dùng

cho các lớp chính là trọng số của các gói mà phù hợp với tiêu chuẩn của lớp

đó. Sau khi đã được gán trọng số, các gói sẽ được sắp xếp vào cuối hàng đợi.

CBWFQ sử dụng chính sách phân lớp được thiết lập để xử lý hàng đợi lớp đó

được phục vụ công bằng.

85

Với các lớp đã được định nghĩa người sử dụng cũng có thể gán các đặc

tính bao gồm băng thông, trọng số và giới hạn gói lớn nhất cho một lớp. Từ

đó có thể tính được băng thông khả dụng trên một giao diện.

IP TCP Payload

Địa chỉ nguồn

Địa chỉ đích

Giao thức ToS Địa chỉ

nguồnĐịa chỉ đích

Hàm băm

WFQ phân lớp sử dụng các thông số sau:

Địa chỉ IP nguồnĐịa chỉ IP đíchGiao thức TCP nguồn hoặc cổng UDPGiao thức truyềnKiểu dịch vụ (trường ToS)

Sau khi các gói được xếp hàng, chỉ số hàng đợi sẽ được thực hiện bởi một hàm băm

# Hàng đợi (chỉ số hàng đợi)

Hình 4.16 Sự phân lớp WFQ dựa trên tiêu đề gói tin

Hàm băm được dùng để gán hàng đợi vào luồng. WFQ mặc đinh dùng 256

hàng đợi. Số lượng hàng đợi có thể được cấu hình trong dải từ 16 đến 4096.

Nếu một số lượng lớn luồng cùng diễn ra điều đó cũng giống như 2 luồng

cùng vào một hàng đợi giống nhau.

Chú ý thông thường việc phân phối băng thông trên một giao diện không

thể vượt quá 75% băng thông của giao diện bởi vì 25% còn lại được sử dụng

cho mục đích truyền tải các từ tiêu đề bao gôm tiêu đề lớp 2, thông tin định

tuyến lưu lượng, và các dịch vụ đặc biệt. Tuy nhiên trong từng ứng dụng

truyền tải ta có thể cấu hình vượt quá 75% băng thông cho tổng cộng cho tổng

lưu lượng của các lớp hay các luồng nhưng vẫn phải đảm bảo phần băng

thông khả dụng cho mục địch truyền tải các mào đầu nói trên.

4.2.4.4 Hàng đợi cân bằng trọng số tốc độ cao (DWFQ)

DWFQ là một dạng đặc biệt của WFQ tốc độ cao chạy trên nền bộ xử lý

giao diện đa năng (VIP - Versatile Interface Processor). Đối với DWFQ nó

86

lưu giữ số gói trong mỗi hàng đợi và tổng số các gói trong tất cả các hàng đợi.

Khi tổng cộng các gói là nhỏ hơn giới hạn tổng cộng, thì các hàng đợi có thể

làm đệm tạm thời mà không quan tâm đến giới hạn hàng đợi riêng lẻ. Nhưng

nếu như nó vượt qua giới hạn tổng cộng cơ chế giới hạn hàng đợi riêng lẻ sẽ

được kích hoạt khi đó tất cả các gói mới đến mà vượt quá giới hạn hàng đợi

sẽ bị loại bỏ. Tuy nhiên các gói đã được sắp xếp trong hàng đợi vẫn không bị

loại bỏ ngay cả khi hàng đợi đã vượt qua giới hạn cho phép.

Có 2 loại DWFQ:

Flow-based DWFQ

Class-based DWFQ

Với Flow-based DWFQ các gói được phân loại bằng luồng. Các gói có

cùng địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, cổng nguồn TCP hoặc UDP, cổng đích

TCP hoặc UDP, loại giao thức và trường ToS (Type of Service) được sắp xếp

cùng một luồng (tất cả các gói non-IP được xử lý như luồng số 0) .

Mỗi 1 luồng tương ứng riêng rẽ một hàng đợi đầu ra. Khi các gói được gán

tới một luồng nó sẽ được đặt vào hàng đợi tương ứng với luồng đó. Trong

suốt quá trình tắc nghẽn, DWFQ phân phối băng thông như nhau cho mỗi

hàng đợi đang được gửi.

Với Class-based DWFQ các gói được gán tới các hàng đợi khác nhau dựa

trên nhóm QoS của chúng hoặc giá trị ưu tiên IP trong trường ToS. Nhóm

QoS cho phép người sử dụng thực hiện theo chiến lược QoS của mình. Một

nhóm QoS là một sự phân lớp nội bộ của các gói, được router dùng để xác

định cách thức xử lý các gói tin trên những đặc tính QoS xác định. Có thể sử

dụng CAR (Commited Access Rate) hoặc sự truyền bá chính sách QoS thông

qua BGP (Border Gateway Protocol) để gán các gói tin vào các nhóm QoS

khác nhau. Tuy nhiên nếu muốn phân loại các gói chỉ dựa trên 3 bits phân

quyền IP thì có thể sử dụng DWFQ dựa trên trường ToS. Các lớp được định

87

rõ một trọng số. Trong suốt quá trình tắc nghẽn, mỗi nhóm được phân phối

phần trăm băng thông tương ứng với trọng số của lớp đó. Ví dụ nếu 1 lớp

được gán trọng số là 50 thì trong suốt quá trình tắc nghẽn các gói tin từ lớp

này được phân phối ít nhất 50 phần trăm băng thông khả dụng. Trong trường

hợp các giao diện không có tắc nghẽn các hàng đợi có thể được gửi đi thông

qua bất cứ phần băng thông khả dụng nào.

4.2.4.5 Các ưu nhược điểm của hàng đợi WFQ

Ưu điểm:

Cấu hình đơn giản (không cần cấu hình sự phân lớp).

Đảm bảo thông lượng cho tất cả các luồng.

Khắc phục được hiện tượng “hiệu ứng dây truyền” (chuỗi liên kết các

gói) trong cơ chế hàng đợi FIFO

Drop gói trên hầu hết các luồng.

Hỗ trợ hầu hết các thiết bị (platform).

Hỗ trợ hầu hết các phiên bản phần mềm (Cisco IOS 11.0 trở lên).

Nhược điểm:

Đa luồng có thể kết thúc ở trong một hàng đợi.

Không hỗ trợ cấu hình phân lớp.

Không cho phép đảm bảo băng thông cố định.

Thực thi giới hạn tùy thuộc vào độ phức tạp của phân lớp và cơ chế sắp

xếp.

4.2.4.6 Cấu hình thực thi WFQ

Khởi tạo WFQ trên các giao diện:

CDT (congestive-discard threshold): Số các bản tin cho phép trong hệ

thống WFQ trước khi router bắt đầu rớt (drop) các gói mới được xếp vào hàng

88

đợi dài nhất. Giá trị CDT có thể lên 4096, mặc định là 64. WFQ tự động khởi

tạo (enable) trên các giao diện tốc độ thấp hơn 2M.

Dynamic-queues: Số các hàng đợi động dùng cho kiến trúc best-effort: giá

trị là 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, và 4096 giá trị mặc định là 256.

Reservable-queues: Số hàng đợi đặt trước dùng cho các hội thoại đặt trước

trong dải giá trị 0 đến 1000 (dùng cho giao diện cấu hình các đặc tính như là

RSVP mặc định là 0).

Cấu hình thêm các tham số HQO cho WFQ.

Xác định số gói lớn nhất có thể trong tất cả các hàng đợi đầu ra trên

giao diện ở mọi thời điểm, giá trị mặc định là 1000.

Trong tình huống đặc biệt WFQ có thể tiêu thụ nhiều bộ đệm (buffer).

Ví dụ DoS (Denial of Service) tấn công làm tràn (flood) trên giao diện

với một lượng gói lớn nó có thể điền đầy các hàng đợi ở cùng một tốc

độ.

Kết luận: Mặc dù WFQ có thể phục vụ tốt đối với các gói tin có kích thước

nhỏ hoặc IP precedence cao, nhưng nó không phải là công cụ chính xác để

đảm bảo một lượng băng thông cố định.

89

CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT QoS TRONG MẠNG IP/MPLS 5.1 Cơ sở

Khi gói IP chuyển từ nguồn tới đích, kỹ thuật truyền thống sẽ thực hiện

phân tích địa chỉ IP đích được cung cấp bởi thủ tục định tuyến lớp mạng Vd:

OSPF (Open Shortest Path First) hoặc BGP (Border Gateway Protocol), định

tuyến tĩnh,.... Để thực hiện quyết định chuyển tiếp tại từng chặng bên trong

mạng. Router thực hiện việc xử lý các quyết định chọn đường để xem gói tin

sẽ đi theo đường nào. Các thiết bị lớp mạng này tham gia vào việc tập hợp

phân phối thông tin lớp mạng và thực hiện chuyển mạch lớp 3 dựa trên nội

dung của tiêu đề trong mỗi gói ở lớp mạng. Ta xem xét vd trong hình 5.1

ATM PVC

Switch ATMTP HCM

Switch ATMHà Nội

Mạng trục ATM

Router nhânHà Nội

Router nhânĐà Nẵng

Router nhânTP HCM

Switch ATMĐà Nẵng

Hình 5.1 Mạng IP chạy trên mạng trục ATM

Giả sử chỉ có 1 tuyến kết nối như hình 5.1, tất cả các gói từ Hà Nội đến TP

HCM đều phải qua router Đà Nẵng, điều này làm tăng độ trễ trong mạng và

tăng tải CPU của router Đà Nẵng. Để đảm bảo chuyển tiếp gói tin một cách

tối ưu trong mạng, mạch ảo ATM phải được thiết lập một cách đầy đủ giữa

các router. Với các mạng nhỏ như hình 5.1 thì không có vấn đề gì, nhưng với

mạng lớn với vài chục đến hàng trăm router thì điều này không thể thực hiện

90

được vì có quá nhiều kết nối đến mạng WAN.

Sau đây là các vấn đề về khả năng mở rộng mạng mà ta gặp phải:

Mỗi khi có một router mới trên mạng, để đáp ứng tính tối ưu của định

tuyến, từng mạch ảo (VC) phải được thiết lập giữa router mới và các

router còn lại.

Việc cung cấp các VC giữa các router là phức tạp, vì nó khó dự đoán

được lưu lượng giữa các router trong mạng.

Do vậy nhà cung cấp dịch vụ muốn thiết kế mạng tích hợp đa dịch vụ trên

nền mạng trục IP có sẵn và vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) đã thúc

đẩy giải pháp MPLS. So với các yếu tố khác như quản lý lưu lượng và hỗ trợ

VPN thì QoS không phải là lý do quan trọng nhất để triển khai MPLS. Như

chúng ta sẽ thấy dưới đây, hầu hết các công việc được thực hiện trong MPLS

QoS tập trung vào việc hỗ trợ các đặc tính của IP QoS và không thay đổi về

căn bản mô hình dịch vụ IP trong mạng.

Một lý do để khẳng định MPLS không giống như IP là MPLS không phải

là giao thức xuyên suốt. MPLS không vận hành trong các máy chủ, và trong

tương lai nhiều mạng IP không sử dụng MPLS vẫn tồn tại.

5.2 Định nghĩa chuyển mạch nhãn (MPLS)

5.2.1 Chuyển mạch nhãn là gì?

Trong mạng IP, phương thức vận chuyển các gói tin là dựa vào địa chỉ IP

đích. Tại mỗi router, các gói tin được kiểm tra địa chỉ đích và được truyền đến

nút tiếp theo dựa vào thông tin có trong bảng định tuyến. Trong chuyển mạch

nhãn địa chỉ IP lớp 3 được ánh xạ vào nhãn lớp 2. Thay vì cơ chế vận chuyển

gói tin như trong mạng IP, chuyển mạch nhãn thực hiện bằng cách gắn một

nhãn cho gói tin ở lớp 2, dựa vào nhãn này mà các nút mạng sẽ chuyển tiếp

gói tin đến đích cuối cùng.

91

5.2.2 Ưu điểm của kỹ thuật MPLS

Ưu điểm nổi bật của kỹ thuật MPLS so với mạng WAN và mạng IP truyền

thống là nó có khả năng mang một chuỗi các nhãn. Khái niệm một chuỗi các

nhãn cho phép MPLS triển khai các ứng dụng mới như kỹ thuật điều khiển

lưu lượng, triển khai các kỹ thuật QoS, cung cấp dịch vụ mạng riêng ảo

(VPN), định tuyến nhanh khi có một điểm hoặc kết nối bị lỗi,....

5.3 Kiến trúc MPLS

5.3.1 Cấu trúc khối

Kiến trúc MPLS được chia thành hai thành phần: Thành phần chuyển tiếp

gói (còn gọi là mặt phẳng dữ liệu) và thành phần điều khiển (còn gọi là mặt

phẳng điều khiển)

Bảng định tuyến IP

Điều khiển định tuyến IP MPLS

Thủ tục định tuyến IP

Bảng chuyển tiếp nhãn

Mặt phẳng dữ liệu trong một node

Gói gán nhãnđi vào

Gói gán nhãnđi ra

Trao đổi liên kết nhãnvới router khác

Trao đổi thông tin địnhtuyến với router khác

Hình 5.2 Kiến trúc cơ bản của một node MPLS chạy trên nền IP

Thành phần chuyển tiếp gói sử dụng cơ sở dữ liệu chuyển tiếp nhãn (được

duy trì bởi một chuyển mạch nhãn) để thực hiện chuyển tiếp gói dữ liệu theo

92

nhãn đọc được trong gói. Thành phần điều khiển thực hiện việc tạo và duy trì

thông tin chuyển tiếp nhãn (được nhắc đến như là sự liên kết) trong một nhóm

các chuyển mạch nhãn kết nối với nhau.

5.3.2 Một số khái niệm trong chuyển mạch nhãn

Các thuật ngữ này mô tả các thiết bị cấu thành kiến trúc MPLS và vai trò

của nó.

5.3.2.1 Lớp chuyển tiếp tương đương (FEC)

MPLS không thực hiện quyết định chuyển tiếp với gói dữ liệu lớp 3

(datagram) mà sử dụng một khái niệm mới gọi là FEC (Forwarding

Equivalence Class). Mỗi FEC được tạo bởi một nhóm các gói tin có chung

các yêu cầu về truyền tải hoặc dịch vụ (thoại, data, video, VPN...) hoặc cùng

yêu cầu về QoS. Hay nói một cách khác, MPLS thực hiện phân lớp dữ liệu để

chuyển tiếp qua mạng. Nói cách khác lớp chuyển tiếp tương đương (FEC) là

một nhóm các địa chỉ IP có cùng yêu cầu về chuyển tiếp dữ liệu, tất cả lưu

lượng về một đích nào đó hoặc tất cả lưu lượng với giá trị ưu tiên

(precedence) nào đó có thể tạo thành một FEC.

5.3.2.2 Router chuyển mạch nhãn (LSR)

Bất kỳ router hoặc switch thực hiện thủ tục phân phối nhãn và có thể

chuyển tiếp gói dựa vào các nhãn đều được gọi là router chuyển mạch nhãn –

Label Switch Router. Chức năng cơ bản của LSR là phân phối nhãn và liên

kết với các LSR khác bên trong mạng MPLS. Tồn tại một số kiểu LSR khác

nhau như sau:

Edge-LSR là một router thực hiện gán nhãn và gỡ nhãn tại biên của mạng

MPLS. Gán nhãn là hành động gán một nhãn hoặc một chuỗi các nhãn đến

gói tin tại hướng vào của miền MPLS. Gỡ nhãn thì ngược lại, nó xóa bỏ nhãn

từ gói tin tại hướng ra trước khi nó được chuyển tiếp đến router lân cận bên

ngoài mạng MPLS.

93

Bất kỳ LSR nào mà có router lân cận không có chức năng MPLS thì LSR

đó được xem như là Edge-LSR. Nếu LSR có giao tiếp đấu nối mạng MPLS

đến mạng ATM thì nó được gọi là ATM edge-LSR. Edge-LSR sử dụng bảng

chuyển tiếp IP truyền thống để gán nhãn và gỡ nhãn gói IP. Hình 5.3 minh

họa kiến trúc của Edge-LSR

Bảng định tuyến IP

Điều khiển định tuyến IP MPLS

Thủ tục định tuyến IPMặt

phẳ

ng đ

iều

khiể

n tro

ng một

nod

e

Gói gán nhãnđi vào

Gói gán nhãnđi ra

Trao đổi liên kết nhãnvới router khác

Trao đổi thông tin địnhtuyến với router khác

Bảng chuyển tiếp IP

Bảng chuyển tiếp nhãn

Gói IP đi vào Gói IP đi ra

Mặt phẳng dữ liệu trong một node

Nhãn được loại bỏ và thực hiện tìm kiếm định tuyến lớp 3

Hình 5.3 Kiến trúc của Edge-LSR

Bảng định tuyến IP được mở rộng với thông tin nhãn. Khi gói IP đi vào có

thể được chuyển tiếp như gói IP bình thường đến node không phải là MPLS

hoặc được gán nhãn và gửi đến node MPLS khác.

ATM-LSR là một chuyển mạch ATM có thể hoạt động như một LSR,

ATM-LSR có thể thực hiện định tuyến IP, gán nhãn trong phần điều khiển

94

(control plane) và chuyển tiếp gói dữ liệu theo cơ chế chuyển mạch ATM

truyền thống.

Bảng 5-1 tóm tắt các chức năng của các kiểu LSR khác nhau. Một thiết bị

mạng có thể thực hiện nhiều chức năng (Vd, có thể thực hiện Edge-LSR và

ATM edge-LSR cùng một lúc)

Kiểu LSR Chức năng

LSR Chuyển tiếp gói được gán nhãn

Edge-LSR Có thể nhận một gói IP, thực hiện tìm kiếm lớp 3 và

gắn nhãn trước khi chuyển tiếp gói vào miền LSR

Có thể nhận một gói được gán nhãn, gỡ bỏ nhãn, thực

hiện tìm kiếm lớp 3 và chuyển tiếp gói IP đến chặng

tiếp theo

ATM-LSR Chạy thủ tục MPLS trong phần điều khiển để thiết lập

các VC ATM. chuyển tiếp gói được đánh nhãn như

cell ATM.

ATM edge-LSR Có thể nhận gói đánh nhãn hoặc không đánh nhãn,

phân mảnh nó thành các cell ATM và chuyển tiếp các

cell này đến ATM-LSR tiếp theo.

Có thể nhận các cell ATM từ ATM-LSR lân cận, tái tổ

hợp chúng thành gói tin ban đầu và chuyển nó đến

chặng tiếp theo, gói có thể được đánh nhãn hoặc

không đánh nhãn.

Bảng 5-1 Chức năng của các kiểu LSR

5.3.2.3 Giao thức phân phối nhãn (LDP -Label Distribution Protocol)

LDP là các giao thức phân bổ nhãn được dùng trong MPLS để phân bổ

nhãn và thiết lập các LSP thông qua mạng MPLS.

95

5.3.2.4 Tuyến đường chuyển mạch nhãn

Tuyến đường để gói IP đi qua mạng MPLS từ LSR hướng vào đến LSR

hướng ra gọi là tuyến đường chuyển mạch nhãn LSP (Label Switched Path).

Nó tương ứng với một tập hợp các LSP mà gói phải đi qua để đến được LSR

hướng ra liên quan đến một FEC và một LSP khác được sử dụng cho lưu

lượng quay trở lại.

Tuyến đường chuyển mạch nhãn là cơ chế hướng kết nối vì nó được thiết

lập trước khi có lưu lượng. Nghĩa là tuyến đường thiết lập dựa vào thông tin

sơ đồ mạng chứ không phải là do đòi hỏi của dòng chảy lưu lượng.

5.4 Thực hiện kỹ thuật QoS trong mạng MPLS

Như đã phân tích ở chương 2 hiện nay có hai mô hình cung cấp chất lượng

dịch vụ được sử dụng phổ biến là:

Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ (Intergrated Services).

Mô hình dịch vụ phân biệt DiffServ (Differentiated Services).

Có nhiều nguyên nhân giải thích tại sao mô hình IntServ không được sử

dụng để theo kịp mức độ phát triển của mạng IP. Thay vào đó, IntServ chỉ

được sử dụng phổ biến trong các mô hình mạng với quy mô nhỏ và trung

bình. Trong khi đó, DiffServ lại là mô hình cung cấp chất lượng dịch vụ có

khả năng mở rộng. Cơ chế hoạt động của mô hình này bao gồm quá trình

phân loại lưu lượng tại thành phần biên mạng, quá trình xếp hàng tại mỗi nút

mạng và xử lý huỷ gói trong lõi mạng. Trong đó, phần lớn các xử lý được

thực hiện tại thành phần biên mạng mà không cần phải lưu giữ trạng thái của

các luồng lưu lượng trong lõi mạng.

Một vấn đề nữa là khi cung cấp dịch vụ cho khách hàng, yêu cầu đặt ra là

khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ đáp ứng được một số lượng lớn các

kháng hàng với những yêu cầu đa dạng của họ. Ví dụ, một nhà cung cấp dịch

96

vụ có thể cung cấp nhiều lớp chất lượng dịch vụ cho một mạng riêng ảo

(VPN) và những ứng dụng khác nhau trong VPN sẽ thuộc về những phân lớp

dịch vụ khác nhau. Với cách thức này, dịch vụ mail sẽ thuộc về một lớp dịch

vụ (COS - Class of Service) nào đó trong khi những ứng dụng thời gian thực

có thể thuộc về một lớp dịch vụ khác.

Do vậy mạng MPLS đã lựa chọn mô hình dịch vụ phân biệt (DiffServ) để

cung cấp các giải pháp về chất lượng dịch vụ. Cơ chế hoạt động và các ưu

nhược điểm của mô hình DiffServ đã được phân tích ở chương 2. Trong mạng

MPLS mô hình này được ứng dụng để thực hiện các nhiệm vụ sau:

Phân lớp, đánh dấu và sửa dạng dữ liệu bằng cách copy trường IP

Precedence tới trường MPLS QoS tại biên mạng.

Thực hiện cơ chế tránh tắc nghẽn WRED bởi các bits Precedence, hoặc

DSCP, hoặc MPLS EXP trong lõi mạng.

Sử dụng MPLS QoS thực hiện cơ chế xếp hàng cân bằng trọng số dựa

trên sự phân lớp (CBWFQ – Class_base WFQ) tại mỗi nút mạng.

Kết quả thực hiện từ đầu cuối đến đầu cuối mạng MPLS cũng giống

như mạng non-MPLS.

5.4.1 Cấu trúc trường MPLS EXP trong gói IP được gán nhãn

Trong chương 2, chương 3 và chương 4 chúng ta đã phân tích cách sử

dụng trường IP Precedence và cấu hình thực hiện các cơ chế QoS trong mạng

IP. Hình 5.4 chỉ ra mối liên hệ giữa trường IP Precedence với trường MPLS

QoS trong mạng chuyển mạch nhãn.

Tại biên mạng router thực hiện gán nhãn, nhãn được chèn giữa mào đầu

lớp 2 và nội dung lớp 3 của khung lớp 2.

Ánh xạ (hoặc sao chép) nội dung trường IP Prec tới trường MPLS

EXP.

97

Hình 5.4 Cấu trúc nhãn (label)

Xem hình 5.4 trong đó:

Nhãn (Label): Thường được tổ chức dưới dạng ngăn xếp nhãn (Label

Stack), có độ dài 32 bit được thể hiện như sau:

Trường Label: Có độ dài 20 bit, đây chính là giá trị nhãn.

Trường Exp (tài liệu MPLS IETF gọi là bit Experimental): Có độ dài 3

bit dùng cho mục đích dự trữ nghiên cứu và phân chia lớp dịch vụ

(COS - Class Of Service).

Trường TTL (Time To Live): Độ dài 8 bits, có chức năng xác định

vòng lặp như trường TTL trong gói tin IP.

Trường S: Có độ dài 1 bit, dùng chỉ định nhãn cuối cùng của ngăn xếp

nhãn (Label Stack). Với nhãn cuối cùng, S=1. Ngăn xếp nhãn là sự kết

hợp của hai hay nhiều nhãn được gắn vào một gói.

Bảng 5-2 Mô tả mối liên hệ giữa giá trị IP DSCP và MPLS EXP

98

IP DSCP MPLS EXP

EF 5

AF1 (low-drop) 4

AF1 (medium-drop) 4

AF1 (high-drop) 3

AF2 (low-drop) 2

AF2 (medium -drop) 2

AF2 (high-drop) 1

Default 0

5.4.2 Gán nhãn tại biên mạng

Đây là chức năng ở biên mạng, gói tin được gán nhãn trước khi được

chuyển đến miền MPLS. Trong cơ chế chuyển tiếp IP truyền thống, mỗi

chặng trong mạng thực hiện tìm kiếm bảng chuyển tiếp IP cho địa chỉ IP đích

gắn trong mào đầu lớp 3. Nó lựa chọn địa chỉ IP cho chặng tiếp theo của gói

tin và gửi gói ra ngoài giao tiếp hướng tới địa chỉ đích cuối cùng. Chọn chặng

tiếp theo cho gói IP là kết hợp 2 chức năng: thứ nhất phân chia địa chỉ IP đích

thành một bộ các tiền tố IP đích, thứ hai ánh xạ mỗi tiền tố IP đích đến các địa

chỉ IP của chặng tiếp theo. Như vậy xử lý gói được thực hiện theo từng chặng

trong mạng.

Với mạng MPLS, gói tin vào mạng được gán đến FEC chỉ một lần tại thiết

bị biên, khi đến chặng tiếp theo gói tin được gán nhãn và thiết bị có thể

chuyển tiếp dựa trên nhãn đã được mã hóa mà không phải phân tích thông tin

mào đầu lớp 3. Hình 5.5 minh họa việc xử lý nhãn và chuyển tiếp gói tin.

99

Hình 5.5 Gán nhãn và chuyển tiếp gói tin trong mạng MPLS

5.4.3 Chuyển tiếp gói MPLS

Khi một gói đi qua mạng MPLS, router chuyển mạch nhãn (LSR) sẽ thay

đổi nhãn vào bằng một nhãn ra. Mỗi LSR giữ hai bản lưu giữ thông tin liên

quan đến thành phần chuyển tiếp MPLS. Bảng đầu tiên là cơ sở thông tin

nhãn (LIB –Label Information Base) lưu tất cả các nhãn được gán bởi LSR và

ánh xạ các nhãn này đến các nhãn nhận được từ node lân cận. Bảng thứ hai là

cơ sở thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB – Label Forwarding Information

Base) được sử dụng để chuyển tiếp gói và chỉ giữ các nhãn mới được sử dụng.

5.5 Kết Luận

MPLS là một trong những giải pháp mạng đường trục cho mạng thế hệ

mới, hiện xu hướng phát triển của MPLS là ATOM (Any traffic Over MPLS),

nghĩa là có khả năng đáp ứng bất cứ loại dịch vụ nào: thoại, video, fax,

data,.... IP/MPLS sẽ là một giải pháp QoS hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho

cả người dùng và nhà cung cấp dịch vụ viễn thông.

100

CHƯƠNG 6 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI MPLS

QoS TRÊN HẠ TẦNG MẠNG CỦA CÔNG TY SPT

6.1 Hạ tầng mạng IP của công ty SPT

Hạ tầng mạng IP của công ty SPT (trích nguồn từ công ty SPT) được mô tả

như sau:

Công ty Cổ phần Dịch vụ Bưu chính Viễn thông Sài Gòn (viết tắt là công

ty SPT) được thành lập và bắt đầu cung cấp dịch vụ từ tháng 8 năm 2001.

Công ty cung cấp 2 dịch vụ chính bao gồm thoại đường dài giá rẻ 177 theo

công nghệ VoIP và dịch vụ dữ liệu mà chủ yếu là dữ liệu trên mạng Internet

dialup 1270 và SnetFone. Ngoài ra, công ty còn cung cấp kênh thuê riêng và

mạng riêng ảo VPN cho khách hàng. Tuy nhiên, hai loại hình dịch vụ này còn

khá hạn chế và lưu lượng không đáng kể.

Cho tới năm 2005 công ty SPT đã triển khai cung cấp dịch vụ VoIP cho

gần 60 tỉnh thành đặt POP, trong đó một số POP còn cung cấp cả dịch vụ

Internet. Riêng HNI xây dựng thí nghiệp mạng riêng ảo VPN phục vụ cho

việc thí nghiệm triển khai dịch vụ và trao đổi thông tin giữa 2 chi nhánh lớn

HNI và HCM.

Trong mạng tồn tại 2 mô hình cơ bản. Môt số tuyến mạng sử dụng chung

kênh thuê riêng, tuy nhiên băng thông sử dụng cho thoại VoIP và Internet

được tách độc lập với nhau bằng kỹ thuật Frame Relay. Do đó không chia sẻ

được băng thông dư thừa cho nhau. Trong khi đó một số tuyến các kênh thuê

riêng cho thoại VoIP và Internet là hoàn toàn độc lập với nhau. Bên cạnh đó

các thiết bị mạng cũng độc lập với nhau.

Ví dụ xét mô hình mạng kết nối Hà Nội và Hải Phòng như trong hình 6.1

101

Hình 6.1 Sơ đồ mạng kết nối HNI – HPG của SPT

Lưu lượng dialup được cung cấp bởi RAS Gateways (vừa làm chức năng

RAS vừa làm chức năng Router) được gửi tới HPGR1 và định tuyến đi HNI

thông qua kênh dành riêng theo kỹ thuật Frame Relay. Tại HNIR1 lưu lượng

Internet trong nước được kết nối qua VNIX, lưu lượng Internet quốc tế được

tách ra đi ghép cùng lưu lượng Internet quốc tế HNI đẩy vào HCM sau đó đẩy

ra cổng quốc tế tại HCM. Như vậy, mạng VoIP chỉ đóng vai trò trung chuyển

lưu lượng của Internet mà không tham ra vào bất kỳ cài đặt nào cho dữ liệu

Internet.

Với mục đích tiết kiệm đầu tư nhiều thiết bị và chia sẻ băng thông dư thừa

một cách linh hoạt, bài toán đặt ra cho nhà cung cấp dịch vụ là làm thế nào có

thể tích hợp hai dịch vụ VoIP và Internet trên cùng một hệ thống thiết bị mà

vẫn phải đảm bảo chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng.

6.2 Phương án triển khai

Kế hoạch triên khai tích hợp 2 mạng được thực hiện qua 2 giai đoạn chính:

Giai đoạn 1: Chia sẻ băng thông kênh liên tỉnh.

Giai đoạn 2: Tích hợp dịch vụ.

6.2.1 Chia sẻ băng thông kênh liên tỉnh

Để chia sẻ một cách linh hoạt băng thông kênh liên tỉnh cho cả 2

102

dịch vụ bằng cách thực hiện loại bỏ các cài đặt Frame Relay và thay vào đó

bằng các chính sách QoS để đảm bảo ưu tiên cho dịch vụ thoại. Cụ thể là triển

khai 2 kỹ thuật IP QoS và MPLS QoS cho mạng đường trục. Sơ đồ mạng SPT

được thiết kế như trong hình vẽ 6.2

SiSi

SiSi

SiSi

Hình 6.2 Cấu trúc phân lớp mạng SPT

103

Lớp truy cập (Access Layer): Lớp này phục vụ việc truy cập Internet

cho khách hàng hoặc kết nối mạng khách hàng. Các khách hàng được

kết nối trực tiếp vào các router tầng truy cập.

Lớp phân phối (Distribution Layer): Lớp này tập hợp các kết nối từ các

router lớp truy cập và liên kết với lớp cao hơn.

Lớp nhân (Core Layer): Lớp này là tập hợp các router có tốc độ xử lý

cao, khả năng chuyển tải dữ liệu lớn. Lớp này thực hiện liên kết 3 miền

của mạng SPT và thực hiện kết nối ra miền Internet quốc tế.

• Mạng IP Core của SPT hiện nay chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại

(VoIP), và hiện nay còn tách biệt một cách tương đối so với mạng

Internet.

• Mạng IP Core đang sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm tag-

switching (MPLS), IP forwarding và GRE tunnel để thực hiện việc

sử dụng chung băng thông kênh thuê riêng liên tỉnh và quốc tế cho 2

dịch vụ VoIP và Internet.

• Mạng IP Core vẫn chưa triển khai kỹ thuật tag-switching trên toàn

mạng.

Để cung cấp dịch Internet trên nền IP sử dụng công nghệ chuyển mạch

nhãn MPLS, chúng ta cần phải chuyển đổi mạng IP Core hiện hữu sang

MPLS tối thiểu là ở những POP dự kiến sẽ cung cấp dịch vụ Internet. Hiện

nay cấu trúc mạng SPT gồm 3 miền tương tự nhau, do vậy chúng ta có thể

phân tích một miền đại diện, ví dụ được phân tích ở đây là tuyến Hải Phòng –

Hà Nội – TP HCM (xem hình 6.3).

104

Hình 6.3 Mạng IP tích hợp nhiều kỹ thuật chuyển mạch khác nhau

Như vậy để xây dựng mạng MPLS QoS trên hạ tầng mạng SPT hiện

nay, thì các phân tử mạng phải được thiết kế như sau:

Router đặt tại POP Hải Phòng đóng vai trò router lớp truy cập Edge-

LSR (router chuyển mạch nhãn ở biên). Các router này trao đổi thông

tin định tuyến với mạng của khách hàng hoặc với mạng PSTN khác.

Router lớp truy cập trao đổi thủ tục phân phối nhãn (LDP) với router

lớp phân phối Hà Nội, router lớp phân phối trao đổi LDP với router lớp

nhân miền Bắc (đặt tại Hà Nội) và router lớp nhân trao đổi LDP với các

router lớp nhân trong các miền TP HCM và các miền khác.

6.2.1.1 Chính sách định tuyến

Công nghệ IP/MPLS hoạt động dựa trên một số giao thức định tuyến khác

nhau, do vậy khi triển khai chính sách định tuyến cần quan tâm tới một số vấn

đề sau:

Việc gán nhãn (label) cho các IP packet trên mạng MPLS có thể hoạt

động dựa trên một cơ chế định tuyến bất kỳ (như static, RIP, OSPF,..),

105

tuy nhiên theo khuyến cáo của Cisco thì giao thức định tuyến OSPF là

tốt nhất khi triển khai mạng MPLS. Ngoài ra, OSPF chỉ cấu hình một

area duy nhất cho toàn mạng.

Mạng IP core hiện nay hầu như sử dụng định tuyến tĩnh, khi kích hoạt

thêm định tuyến động OSPF trên các router P (router lớp nhân và lớp

phân lớp) tại các POP triển khai Internet vẫn không làm ảnh hưởng đến

dịch vụ VoIP đang khai thác vì cơ chế định tuyến tĩnh có độ ưu tiên

(administrative distance) cao hơn. Định tuyến động OSPF giữa các

router chạy MPLS chỉ để phục vụ cho việc gán nhãn đối với những

packet của dịch vụ Intenet và sau này là cho các dịch vụ khác như IP-

VPN, Internet,….

Để trao đổi bảng định tuyến của các lưu lượng Internet, định tuyến

động MP-iBGP (Multi-protocal iBGP) được kích hoạt trên các router

PE (router lớp truy cập). Định tuyến MP-iBGP dùng để trao đổi bảng

định tuyến của mạng Internet thông qua mạng MPLS của nhà cung cấp

dịch vụ. Mỗi nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP/IXP) được cấp một số

hiệu mạng (ASN – Autonomous System Number) và số AS là duy nhất

và có giá trị toàn cầu. Các bảng định tuyến của các nhà ISP/IXP trên

thế giới được trao đổi với nhau thông qua số AS này.

6.2.1.2 Địa chỉ IP cho các router P, PE, RD và RT

Địa chỉ IP gồm 2 loại, địa chỉ vật lý và địa chỉ logic (loopback). Khi gán

địa chỉ IP cho router người thiết kế cần quan tâm đến các vấn đề sau:

Theo các khuyến cáo khi thiết kế một mạng IP/MPLS thì yêu cầu phải

sử dụng địa chỉ loopback 32bits cho định tuyến OSPF và MP-BGP, và

dãy địa chỉ IP này không được summarizing trong bảng định tuyến của

các Router P/PE.

106

Đối với dịch vụ IP-VPN trên nền MPLS, Route-distinguisher (RD) là

thông số để hệ thống tạo ra một địa chỉ VPNv4 duy nhất cho toàn

mạng. Do đó mỗi khách hàng IP-VPN sẽ được gán một số RD duy

nhất trên toàn mạng. Route-target (RT) được sử dụng để điều khiển các

chính sách định tuyến giữa các khách hàng VPN (VRF), và không quy

định về cách đánh số, tuy nhiên đễ dễ nhớ và mở rộng khi triển khai

mạng IP-VPN lớn, sẽ chọn lựa số RT giống như số RD.

6.2.1.3 QoS và phân lớp dịch vụ (CoS)

QoS được kích hoạt trên tất cả các thiết bị Router, Gateway, Switch trên

toàn mạng để đảm bảo QoS từ đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end), cụ thể như

sau:

Tất cả các gói IP sẽ được gán độ ưu tiên sử dụng IP precedence.

Cơ chế hàng đợi phân lớp dịch vụ (CBWFQ queuing) sẽ được sử dụng

cho các CoS/IP precedence từ 0 đến 4 và lớp dịch vụ ưu tiên cao nhất

CoS/IP precedence = 5 được sử dụng cho VOIP.

Trong mạng MPLS, các router P và PE sẽ thực hiện chép các bit IP

Precendence trong gói IP sang gói MPLS một cách tự động.

6.2.2 Tích dịch vụ

Để tích hợp 2 dịch vụ VoIP và Internet cùng sử dụng chung trên một

gateway (GW) thì gateway đó phải có phải các cổng giao tiếp khác nhau và

được đánh địa chỉ khác nhau. Do vậy trên GW ta phải cấu hình thêm địa chỉ

loopback với giá trị khác nhau trên Gateway và router.

Để đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại tránh các tình huống tắc nghẽn trong

mọi trường hợp, các chế độ cài đặt để đảm bảo QoS được cài đặt đồng bộ trên

Gateway và Router như trong bảng 6-1

107

Thoại VoIP Dữ liệu Marking EF Default Policing 1024 kbps 1024 kbps Queuing Priority 1024 WFQ Dropping WRED WRED

Bảng 6-1 Thống kê chính sách QoS

Các gói thoại, thông tin tính cước, xác thực sẽ ưu tiên xử lý trước nên

được phân lớp với DSCP EF tương ứng với giá trị ưu tiên IP

Precedence =5

Các gói tin lưu lượng Internet không được ưu tiên được phân lớp với

DSCP default tương ứng với giá trị ưu tiên IP Precedence =0.

Ngoài ra cơ chế PQ, WFQ và WRED cũng được sử dụng để điều khiển

và tránh tắc nghẽn cho dữ liệu. .

6.3 Cấu hình triển khai MPLS QoS trên mạng SPT

Thiết bị mạng của SPT hiện nay chủ yếu là các router của hãng Cisco, do

vậy các câu lệnh được giới thiệu trong phần này được cung cấp bởi hãng

Cisco và được thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Nâng cấp phần mềm và phần cứng

Các router cần được nâng cấp để hỗ trợ chức năng chuyển mạch nhãn

LSR, nhất là đối với tầng truy cập router vừa làm nhiệm vụ định tuyến chuyển

mạch gói tin Internet, vừa làm nhiệm vụ của mạng MPLS QoS. Các router

này đòi hỏi phần cứng, phần mềm tương đối mạnh (đối với hãng Cisco router

phiên bản từ 7200 trở lên, bộ nhớ RAM tối thiểu 128Mbyte và phiên bản phần

mềm từ 12.2 trở lên).

Bước 2 Kích hoạt router lớp phân phối và lớp lõi đóng vai trò LSR

Câu lệnh sau cho phép kích hoạt thủ tục phân phối nhãn (LDP) trên router:

108

Router# config terminal

Router(config)# mpls label protocol ldp

Bước 3 Kích hoạt router lớp truy cập đóng vai trò Edge-LSR

Ngoài các lệnh kích hoạt LDP giống như ở bước 2, router lớp truy cập cần

cấu hình thêm các lệnh sau:

Định nghĩa giao diện đóng vai trò là địa chỉ đại diện của router PE

Vì router có nhiều địa chỉ IP, nên ta phải định nghĩa một địa chỉ đại diện

cho router PE trong các hoạt động trao đổi thông tin định tuyến và nhãn.

Thông thường ta hay dùng địa chỉ Loopback làm địa chỉ đại diện:

Router#config terminal

Router(config)# tag-switching tdp router-id INTERFACE

Trong đó thuộc tính INTERFACE là tên của giao diện đại diện.

Kích hoạt MP-BGP trên router PE

Để kích hoạt thủ tục định tuyến MP-BGP trên router PE ta sử dụng lệnh

sau:

Router#config terminal

Router(config)#router AS

Router(config-router)#no bgp default ipv4-unicast

Trong đó AS là số hiệu mạng của nhà cung cấp dịch vụ.

Bước 4 Định nghĩa MTU

Các router thường có MTU mặc định là 1500 nghĩa là router chỉ cho phép

các gói tin có kích thước tối đa 1500 bytes đi qua. Khi triển khai MPLS thì

kích thước gói tin có thể tăng thêm tới 16 bytes, do vậy ta phải cấu hình các

router có thể hỗ trợ MTU ≥ 1516 bằng câu lệnh sau:

Router# config terminal

Router(config)# interface NAME PORT

Router(config-interface)# tag-switching mtu 1516

109

Trong đó INTERFACE PORT là tên và số hiệu cổng giao tiếp.

Cấu hình phân lớp trên GW

ip access-list extended BEST_DATA

permit ip host ip address

Trong đó ip address Các giá trị địa chỉ IP tương ứng với địa chỉ IP của

các gói tin đặc biệt.

dial-peer voice 17702 voip

match ip address BEST_DATA

set ip precedence critical

Trong đó ip precedence critical Thiết lập IP Precedence cho lưu lượng

thoại

Cấu hình các chính sách (chia sẻ băng thông, cơ chế PQ, WFQ,

WRED) trên GW và router

policy-map HPG -HNI

class DATA

bandwidth percent 50

fair-queue

random-detect dscp-based

class VOIP

priority 1024

random-detect dscp-based

6.4 Kết luận

Để tiến tới xây dựng mạng NGN, việc triển khai ứng dụng tổ hợp dịch vụ

thoại và số liệu trên cơ sở mạng có sẵn là nhiệm vụ quan trọng cho các nhà

cung cấp dịch vụ.

110

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luận văn tốt nghiệp cao hoc “Vấn đề chất lượng dịch vụ trong mạng thế

hệ mới và triển khai ứng dụng trên hạ tầng mạng của công ty SPT” thực hiện

nghiên cứu và giải quyết những vấn đề sau:

Giới thiệu tổng quan về mạng thế hệ mới (NGN). Tác giả phân tích xu thế

phát triển của mạng viễn thông ngày nay. Các đặc điểm về dịch vụ, công

nghệ và kiến trúc mạng NGN triển khai trên hạ tầng các mạng riêng lẻ có

sẵn. Phân tích các tham số đánh giá chất lượng dịch vụ mạng và những

yêu cầu cần được giải quyết.

Phân tích các nhóm giải pháp về chất lượng dịch vụ trong mạng NGN phát

triển trên môi trường mạng IP, cũng như các ưu nhược điểm của từng giải

pháp và đưa ra một số ví dụ cấu hình ứng dụng dựa trên các khuyến cáo và

thiết bị do hãng Cisco cung cấp.

Phân tích những mặt hạn chế của công nghệ IP và miêu tả kiến trúc của

chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS. Giới thiệu cách thức mà công nghệ

MPLS phát triển các kỹ thuật QoS.

Đề xuất giải pháp xây dựng mạng MPLS QoS trên môi trường mạng của

công ty SPT.

Tuy mạng NGN đáp ứng được sự hội tụ của nhiều dịch vụ nhưng trên thực

tế triển khai các hãng sản xuất thiết bị cũng như nhà cung cấp dịch vụ cần

phải nghiên cứu phát triển, nâng cấp phần cứng cũng như phần mềm, để đảm

bảo chất lượng dịch vụ cung cấp tới khách hàng. Trong khuôn khổ đề tài này

tác giả chỉ nghiên cứu các kỹ thuật QoS cho mạng đường trục IP. Hướng phát

triển tiếp theo của đề tài là nghiên cứu phát triển địa chỉ IPv6 thay thế địa chỉ

IPv4 với mục đích tăng thêm số bit của trường DSCP trong địa chỉ, nhằm mở

rộng các ứng dụng QoS dựa trên các bit đó và một xu hướng phát triển của

111

công nghệ IP/MPLS là ATOM (Any traffic Over MPLS) với mục đích phát

triển các giải pháp mạng đường trục tốt nhất cho mạng thế hệ mới.

Ngoài ra đối với từng mạng riêng lẻ trong một cấu trúc mạng tổ hợp cũng

cần có những kỹ thuật QoS dành riêng nhưng chưa được giới thiệu ở đây như:

“Wireless IP”, “Mobile IP”,….Do vậy song song với việc hoàn thiện thiết kế

mạng NGN, các giải pháp về chất lượng dịch vụ cũng cần được tiếp tục

nghiên cứu.

112

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Công ty Bưu chính viễn thông Việt Nam, “Mạng Viễn Thông Thế Hệ

Sau”, Nhà xuất bản Bưu Điện, 12/2002.

[2] Cisco DQOS Exam Certification Guide, Wendell Odom, CCIE No. 1624

Michael J. Cavanaugh, CCIE No. 4516, First Printing July 2003.

[3] Cisco TAC “IP QoS Intrduction” Website http://www.cisco .com

[4] Neill Wilkinson, “Next Generation Network Services”, John Wiley &

Sons INC, 2002.

[5] Richard D. Gitlin, Next Generation Networks The New Public Network,

http://www.cs.columbia.edu/IRT/papers/others/1999/Globecomm_99_Next_

Generation_Networks_Fi.PDF

[6] Cisco[1].Press.Advd.MPLS.Desgn.and.Impl,

www.cisco.com/cpress/cc/td/doc/cisintwk/ita/index.htm

[7] MPLS Products & Technologies Page http://www.cisco.com/go/mpls

[8] Chuck Semeria, “Multiprotocol Label Switching: Enhancing Routing in

the New Public Network” , www.juniper.net

[9] Tiêu chuẩn RFC 2205 “Resource ReSerVation Protocol” Version 1

Functional Specification của IETF, Web site http://www.ietf.org

[10] Tiêu chuẩn RFC 2474 “Definition of the Differentiated Services Field

(DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers” của IETF, Web site

http://www.ietf.org

[11] Quality of Service Solutions Configuration Guide

http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/product/software/ios121/121cgcr/qo

s_c/index.htm

[12] Tiêu chuẩn G.114 “One-way transmission time” của ITU