Luận văn Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP

Nội dung text: Luận văn Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI NGHUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN LUẬN VĂN CAO HỌC CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP
2. 0 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN TƢ KHOA CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 Lớp Cao học K6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN GIA HIỂU Thái Nguyên - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3. 1 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Gia Hiểu, Viện Công Nghệ Thông Tin, ngƣời đã định hƣớng đề tài và tận tình hƣớng dẫn chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn cao học. Tôi xin đƣợc cảm ơn tới các Thầy cô trong Viện Công Nghệ Thông Tin và Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại học Thái Nguyên đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt 2 năm học Cao học. Cuối cùng tôi xin dành một tình cảm biết ơn tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã luôn luôn ở bên cạnh tôi, động viên, chia sẻ cùng tôi trong suốt thời gian học Cao học cũng nhƣ quá trình thực hiện luận văn này. Thái Nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2009 Học viên: Nguyễn Tƣ Khoa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4. 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ của Thầy hƣớng dẫn và những ngƣời tôi đã cám ơn. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào. Thái Nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2009 Học viên: Nguyễn Tƣ Khoa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5. 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 LỜI CAM ĐOAN 2 MỤC LỤC 3 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6 DANH SÁCH HÌNH VẼ 9 ĐẶT VẤN ĐỀ 12 CHƢƠNG I: 13 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG 13 Nhập đề: 13 1.1 Khái niệm về chất lƣợng dịch vụ 14 1.2 Các thông số QoS 15 1.2.1 Băng thông 16 1.2.2 Trễ 16 1.2.3 Jitter (Biến động trễ) 17 1.2.4 Mất gói 18 1.2.5 Tính sẵn sàng (Độ tin cậy) 19 1.2.6 Bảo mật 19 1.3 Yêu cầu QoS đối với các dịch vụ khác nhau 20 1.3.1 Ứng dụng E-mail, FTP 20 1.3.2 Ứng dụng Streaming, âm thanh hình ảnh lưu trước 21 1.3.3 Ứng dụng Streaming cho âm thanh, hình ảnh sống 22 1.3.4 Ứng dụng Hình ảnh âm thanh tương tác thời gian thực 22 1.3.5 Ví dụ về điện thoại VOIP: 23 1.3.6 Các lớp dịch vụ 30 1.4 Một số kỹ thuật hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ 32 Kết luận chƣơng 34 CHƢƠNG II: 35 CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ 35 Nhập đề: 35 2.1 Kỹ thuật đo lƣu lƣợng và mầu hóa lƣu lƣợng 35 2.1.1 Đánh dấu ba mầu tốc độ đơn 35 2.1.2 Đánh dấu ba mầu hai tốc độ 37 2.2 Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực 39 2.2.1 Kỹ thuật loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm RED 39 2.2.2 Kỹ thuật loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED 40 2.2.3 Thông báo tắc nghẽn hiện ECN 40 2.3 Lập lịch gói 41 2.3.1 FIFO 42 2.3.2 Hàng đợi ưu tiên PQ 42 2.3.3 Hàng đợi công bằng FQ 43 2.3.4 Vòng quay trọng số Robin (WRR) 44 2.3.5 Hàng đợi công bằng có trọng số WFQ 45 2.3.6 Hàng đợi công bằng có trọng số dựa trên cơ sở lớp (CB WFQ) 47 2.4 Trafic Shaping 48 2.4.1 Bộ định dạng lưu lượng thường 48 2.4.2 Bộ định dạng lưu lượng gáo rò 49 Kết luận chƣơng 51 CHƢƠNG 3: 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6. 4 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP 52 Nhập đề: 52 3.1 Các dịch vụ tích hợp 52 3.2 Giao thức dành riêng tài nguyên (RSVP) 52 3.2.1 Tổng quan về RSVP 52 3.2.2 Hoạt động của RSVP 53 3.2.3 Các kiểu RSVP dành riêng 53 3.2.4 Các ví dụ về IntSer 54 3.2 Các dịch vụ phân biệt 57 3.2.1 Tổng quan DiffServ 57 3.2.2 Cấu trúc DiffServ 58 3.2.3 Cư sử từng chặng (PHB) 63 3.2.4 Ví dụ về Differentiated Services 66 Kết luận chƣơng 68 CHƢƠNG IV: 69 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG ATM 69 Nhập đề: 69 4.1 Nền tảng về ATM 69 4.1.1 Nguồn gốc của ATM 69 4.1.2 Giao diện mạng ATM 69 4.2 Giao thức ATM 70 4.2.1 Lớp tế bào ATM 71 4.2.2 Lớp tương thích ATM 72 4.3 Các kết nối ảo ATM 72 4.3.1 Kênh ảo và đường ảo 72 4.3.2 Liên kết ảo 73 4.3.3 Kết nối ảo (Virtual Connection) 75 4.3.4 Kết nối chuyển mạch ảo (SVC) 76 4.4 Các loại dịch vụ ATM 77 4.4.1 Các loại dịch vụ ATM 77 4.4.2 Miêu tả lưu lượng 78 4.4.3 Các kiểu AAL 79 Kết luận chƣơng: 80 CHƢƠNG 5: 81 QOS TRONG GIAO THỨC CHUYỂN MẠCH NHÃN MPLS 81 Đặt vấn đề: 81 5.1 Cơ sở lý thuyết của MPLS 81 5.1.1 Sự chuyển tiếp gói IP thông thường 81 5.1.2 Các cải tiến của MPLS 82 5.1.3 Kiến trúc MPLS 83 5.2 Mã hóa nhãn 83 5.2.1 MPLS shim header 83 5.2.2 Mã hóa nhãn qua mạng ATM 84 5.3 Hoạt động của MPLS 85 5.3.1 Ánh xạ nhãn 85 5.3.2 Một ví dụ về các đường hầm phân cấp MPLS 87 5.4 MPLS hỗ trợ DiffServ 88 5.4.1 E-LSP 88 5.4.2 L-LSP 90 Kết luận chƣơng 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7. 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC 94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8. 6 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ARED Adapted Random Early Detection Tìm kiếm sớm ngẫu nhiên thích ứng ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giai địa chỉ ARPA Advance Research Projects Agency Trung tâm nghiên cứu cấp cao ATM Assyschronous Tranfer Mode Chế độ truyền bất đồng bộ AF Assured Forwarding Chuyển tiếp đảm bảo BB Bandwidth Brokering Thu hồi băng thông BGP Border Gateway Protocol Giao thức định tuyến ngòai CBQ Class Base Queuing Hàng đợi cơ sở lớp CBR Contant Bitrate Rate tốc độ bit cố định CL Controlled Load Tải điều khiển CPU Center Processor Unit Khối xử lí trung tâm CQS Classify Queue Shedule Lập lịch hàng đợi phân loại CAC Call Adminission Contron Điều khiến xác nhận cuộc gọi CE Congestion Experience Nghẽn trải qua DFF Drop from Front Loại bỏ phía trƣớc DiffServ Differentiated Service Dịch vụ khác biệt DNS Domain Name System Hệ thống tên miền DOD Deparment of Defense thuộc bộ quốc phòng Mĩ DRR Deficit Round Robin DSCP Difserv Code-Point Điểm mã dịch vụ khác biệt ECN Explicit congestion notification Thông báo nghẽn cụ thể EF Expedited Forwarding Chuyển tiếp ngay FBI Forwarding information base Khối chuyển tiếp FIFO First in first out Hàng đợi theo nguyên tắc vào trƣớc ra trƣớc FRED Flow Random Early Detection Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm theo luồng FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9. 7 GS Guaranteed Service Dịch vụ đảm bảo vụ HL Header length Độ dài tiêu đề ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức tín hiệu điều khiển Internet IHL Identifed Header Length Trƣờng xác nhận độ dài tiêu đề Intserv Intergrated Service Dịch vụ tích hợp IP Internet Protocol Giao thức Internet LSP Label-switching Paths Đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn MF Multi field Đa trƣờng MPLS Multi protocol lable Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTU Maximum Transfer Unit Đơn vị truyền tối đa NGN Next Generation Network Mạng thế hệ kế tiếp OSI Open Systems Interconection Mô hình tham chiếu “liên kết hệ thống mở” OSPF Open Sortest Path First Đƣờng dẫn đầu tiên ngắn nhất mở PHB Per-Hop Behavior Cƣ sử từng chặng PNNI Private network Node Interface Giao diện node mạng riêng PQ Priority Queue Hàng đợi ƣu tiên QoS Quality of service Chất lƣợng dịch vụ RAP Resource Allocation Protocol Giao thức phân phát tài nguyên RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ngƣợc RED Random Early Detection Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm RIO RED With IN/ OUT Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm theo vào ra RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành trƣớc tài nguyên SDH Synchronous Digital Hiearachy Phân cấp số đồng bộ SLA Service level agreement Thỏa thuận mức dịch vụ SMTP Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền thƣ điện tử đơn giản TCP Tranmission Control Protocol Gíao thức điều khiển truyền dẫn Telnet Terminal NETwork Mạng đầu cuối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10. 8 TL Total length Độ dài tổng TOS Type Of Service Loại dịch vụ TTL Time-to-live Thời gian sống UDP User Datagram protocol Giao thức ngƣời sử dụng VCI Virtual circuit Identify Nhận biết kênh ảo VPI Virtual Path Identify Nhận biết đƣờng ảo VPN IP virtual private Network IP virtual private Network WRED Weight Random Early Detection Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm theo trọng số WRED Weighted Random Early Detection Tìm kiếm sớm ngẫu nhiên theo trọng số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11. 9 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình Nội dung Hình 1.1 Băng thông, trễ Hình 1.2 FTP truyền file giữa các hệ thống Hình 1.3 Phân loại các kỹ thuật sửa đổi dữ liệu phía ngƣời gửi Hình 1.4 Sửa đổi dữ liệu sử dụng FEC Hình 1.5 Sửa chữa sử dụng FEC phụ thuộc môi trƣờng Hình 1.6 Các khối đƣợc đan xen trong nhiều gói Hình 1.7 Phân loại các kỹ thuật che dấu lỗi Hình 2.1 Khoản thời gian đo CBS và CIR Hình 2.2(a) Gáo C và gáo E ở chế độ mù mầu Hình 2.2(b) srTCM ở chế độ mù mầu Hình 2.3 srTCM ở chế độ rõ mầu Hình 2.4(a) Gáo rò C và P trong trTCM Hình 2.4(b) trTCM ở chế độ mù mầu Hình 2.5 Chế độ rõ mầu với trTCM Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED Hình 2.7 Hồ sơ RED Hình 2.8 Khái niệm ECN Hình 2.9 Biểu đồ khái niệm của lập lịch gói Hình 2.10 FIFO Hình 2.11 Hàng đợi ƣu tiên PQ Hình 2.12 Ảnh hƣởng của kích thƣớc gói với phân bổ băng thông Hình 2.13 WRR Hình 2.14 Vòng quay Robin trọng số theo từng bit Hình 2.15 WFQ Hình 2.16 CB WFQ Hình 2.17 Bộ định dạng lƣu lƣợng thƣờng Hình 2.18 Gáo rò token traffic shaper Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12. 10 Hình 3.1 Hoạt động của RSVP Hình 3.2 Các kiểu dàng riêng RSVP Hình 3.3 Các ống chia sẻ đƣợc dành riêng Hình 3.4 Ví dụ 1 về RSVP trong IntServ Hình 3.5 Ví dụ 2 về RSVP trong IntServ Hình 3.6 Ví dụ về RSVP Style Hình 3.7 Dành riêng Wildcard filter Hình 3.8 Dành riêng Fixed filter Hình 3.9 Dành riêng Shared-explicit Hình 3.10 Các bƣớc của DiffServ Hình 3.11 Miền IP Hình 3.12 Một miền DS và các mạng con Hình 3.13 Miền DiffServ Hình 3.14 Vùng DS Hình 3.15 IPv4 Header 24 byte Hình 3.16 Các trƣờng TOS trong Ipv4 header Hình 3.17 IPv6 Header 48 byte Hình 3.18 Trƣờng DS Hình 3.19 Ví dụ về cài đặt EF Hình 3.20 Một ví dụ cài đặt AF Hình 3.21 Ví dụ về DiffServ Hình 4.1 Các giao tiếp ATM Hình 4.2 Xếp chồng giao thức ATM Hình 4.3 Cấu trúc tế bào ATM Hình 4.4 Tế bào ATM cắt và lắp ghép Hình 4.5 Kết nối kênh ảo Hình 4.6 Biên dịch VPI/VCI Hình 4.7 Liên kết đƣờng ảo (VPL) Hình 4.8 Quan hệ giữa VCL và VPL Hình 4.9 Kết nối đƣờng ảo (VPC) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13. 11 Hình 4.10 Kết nối kênh ảo (VCC) trong một VPL Hình 4.11 VCC đƣợc tạo từ các VCL của các VPL khác nhau Hình 4.12 SVCC Hình 5.1 Chức năng định tuyến IP chuẩn Hình 5.2 Kiến trúc của MPLS Hình 5.3 Đầu mào MPLS Hình 5.4 Xếp chồng nhãn độ sâu m Hình 5.5 MPLS LSP sử dụng ATM SVC Hình 5.6 MPLS LSP sử dụng ATM SVP Hình 5.7 MPLS LSP sử dụng ATM SVP mã hóa đa điểm Hình 5.8 Ánh xạ nhãn vào Hình 5.9 Ánh xạ FTN Hình 5.10 Trao đổi nhãn Hình 5.11 Đẩy nhãn Hình 5.12 Một ví dụ về LSP phân cấp Hình 5.13 Ánh xạ giữa DiffServ PBH với các bit MPLS EXP Hình 5.14 E-LSP Hình 5.15 L-LSP Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14. 12 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong xu hƣớng phát triển bùng nổ thông tin ngày này, các nhu cầu về thông tin liên lạc ngày càng mở rộng. Nó đi đôi với nhu cầu đòi hỏi cao về chất lƣợng dịch vụ. Đối với nhà khai thác mạng nâng cao chất lƣợng dịch vụ đồng nghĩa với khả năng tăng khả năng cạnh tranh. Đó là điều tất yếu mà một nhà khai thác phải làm tốt để tồn tại. Việt Nam đƣợc đánh giá là một quốc gia có nhu cầu về thông tin lớn. Hệ thống viễn thông mạng Việt Nam rất đa rạng, phong phú, trong đó công nghệ mạng trên nền chuyển mạch gói là rất phổ biến. Song song với việc cung cấp nhiều loại hình dịch vụ mục tiêu nâng cao chất lƣợng dịch vụ đang là một vấn đề trọng tâm của các nhà cung cấp đặt ra. Mạng hiện thời đang tồn tại ở Việt Nam so với một số nƣớc trong khu vực còn chƣa thật sự ổn định, vẫn còn nhiều hiện tƣợng nghẽn mạng hay tốc độ truy cập mạng còn thấp. Ngoài biên pháp cải thiện băng thông (rất tốn kém), chƣa thể đáp ứng ngay thì chúng ta cần phải cải thiện chất lƣợng dịch vụ theo một số hƣớng khác. Bản luận văn này tìm hiểu về QoS trong mạng IP và một số giải pháp nâng cao QoS phổ biến đang đƣợc áp dụng. Đƣợc sự hƣớng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Gia Hiểu, bản luận văn với đề tài “Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP” đã đề cập đến những vấn đề cơ bản về chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP. Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu bản luận văn đã hoàn thành với những nội dung chính sau đây: Chƣơng 1: Chất lƣợng dịch vụ trong mạng Viễn thông. Chƣơng 2: Các kỹ thuật đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP. Chƣơng 3: Chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP. Chƣơng 4: Chất lƣợng dịch vụ trong mạng ATM. Chƣơng 5: QOS trong giao thức chuyển mạch nhãn MPLS. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15. 13 CHƢƠNG I: CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG Nhập đề: Trong những năm gần đây, tầm quan trọng của các công nghệ về chất lƣợng dịch vụ (QoS) đối với các mạng truyền thông đã tăng lên đáng kể, đặc biệt là trong các mạng chuyển mạch gói. Trƣớc đây, các mạng ra đời với một mục đích là chuyền tải một loại thông tin nhất định. Mạng điện thoại đã ra đời dựa trên một phát minh của Bell vài trăm năm trƣớc đây, đã đƣợc thiết kế để truyền tải âm thanh. Còn mạng IP thì khác, nó ra đời với mục đích truyền tải dữ liệu. Đối với mạng điện thoại, khi thiết lập một cuộc gọi mạng sẽ phải dành riêng một kênh kết nối trong suốt quá trình hội thoại. Khi cuộc gọi kết thúc, các kênh này sẽ đƣợc tiếp tục sử dụng cho một cuộc gói khác. Có thể đƣa ra hai phép đo chính đối với chất lƣợng dịch vụ trong mạng điện thoại, thứ nhất là tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công và thứ hai là chất lƣợng các cuộc gọi, những vấn đề này sẽ chịu ảnh hƣởng bởi dung lƣợng truyền dẫn trung kế của mạng và các vấn đề nhƣ lỗi đƣờng truyền hay nhiễn mạch. Với đặc tính nhƣ vậy, mạng điện thoại đã đƣợc thiết kế với hai vấn đề chính, thứ nhất là làm sao để cung cấp đủ các mạch trung kế phục vụ cho nhiều cuộc gọi đồng thời qua đó năng cao tỷ lệ kết nối thành công. Thứ hai là phải tối ƣu mạng để giảm tối đa những vấn đề nhƣ suy hao, nhiễu, vọng và trễ. Thoại là một loại dịch vụ thời gian thực và nó không cần hàng đợi để lƣu trữ tín hiệu âm thanh. Mạng IP ra đời có rất nhiều điểm khác so với mạng điện thoại. Thứ nhất mạng IP đƣợc thiết kế để truyền tải dữ liệu. Thứ hai các dịch vụ truyền dữ liệu đa phần là các dịch vụ không thời gian thực, dữ liệu có thể đƣợc lƣu lại trong mạng và truyền đi sau, khi dữ liệu truyền đi bị lỗi nó có thể đƣợc truyền lại. Các dịch vụ truyền dữ liệu còn đƣợc gọi là dịch vụ “lƣu và chuyển tiếp”. Mô hình hoạt động của mạng IP nhƣ vậy sẽ đƣợc gọi là best-effort. Việc thiết kế các mạng khác nhau sẽ tạo ra những vấn đề nhƣ kinh phí đầu tƣ hạ tầng sẽ lớn, khi kết nối các mạng với nhau sẽ trở nên phức tạp. Vào giữa những năm 90 các nhà thiết kế mạng đã đƣa ra một ý tƣởng là tạo ra một mạng duy nhất dựa trên chuyển mạch gói để truyền tải cả âm thanh và dữ liệu. Và mạng này thƣờng đƣợc gọi mà mạng thế hệ mới Next-Generation-Network. Mạng này đƣợc thiết kế chủ yế dựa trên nền mạng IP, nhƣng những nhƣợc điểm của mô hình best-effort của mạng IP không phù hợp với các loại dịch vụ âm thanh, hình ảnh, đa phƣơng tiện cần thời gian thực. Để khắc phục những hạn chế này, các mô hình chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP đã phát triển và đóng một vai trò then chốt trong vấn đề phát triển mở rộng của mạng cũng nhƣ khả năng cung cấp các loại dịch vụ khác nhau trên cùng một hạ tầng mạng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16. 14 Những nghiên cứu dƣới đây sẽ đi vào những vấn đề mà mạng IP cần quan tâm đề đảm bảo chất lƣợng dịch vụ. 1.1 Khái niệm về chất lƣợng dịch vụ Chất lƣợng dịch vụ là một vấn đề rất khó cho sự định nghĩa chính xác, bởi vì nhìn từ góc độ khác nhau ta có quan điểm về chất lƣợng dịch vụ khác nhau. Ví dụ nhƣ với ngƣời sử dụng dịch vụ thoại chất lƣợng dịch vụ cung cấp tốt khi thoại đƣợc rõ ràng, tức là chúng ta phải đảm bảo tốt về giá trị tham số trễ, biến động trễ. Nhƣng giá trị tham số mất gói thông tin về một tỉ lệ tổn thất nào đó có thể chấp nhận đƣợc. Nhƣng giả dụ, đối với khách hàng là ngƣời sử dụng trong truyền số liệu ở ngân hàng thì điều tối quan trọng là độ tin cậy, họ có thể chấp nhận trễ lớn, độ biến động trễ lớn, nhƣng thông số mất gói, độ bảo mật kém thì họ không thể chấp nhận đƣợc .v.v Từ góc nhìn của nhà cung cấp dịch vụ mạng. Nhà cung cấp dịch vụ mạng đảm bảo QoS cung cấp cho ngƣời sử dụng, và thực hiện các biện pháp để duy trì mức QoS khi điều kiện mạng bị thay đổi vì các nguyên nhân nhƣ nghẽn, hỏng hóc thiết bị hay lỗi liên kết, v v. QoS cần đƣợc cung cấp cho mỗi ứng. Chất lƣợng dịch vụ chỉ có thể đƣợc xác định bởi ngƣời sử dụng, vì chỉ ngƣời sử dụng mới có thể biết đƣợc chính xác ứng dụng của mình cần gì để hoạt động tốt. Tuy nhiên, không phải ngƣời sử dụng tự động biết đƣợc mạng cần phải cung cấp những gì cần thiết cho ứng dụng, họ phải tìm hiểu các thông tin cung cấp từ ngƣời quản trị mạng và chắc chắn rằng, mạng không thể tự động đặt ra QoS cần thiết cho một ứng dụng của ngƣời sử dụng. Để giải quyết vấn đề đó nhà cung cấp và khách hàng họ lập ra một bản cam kết, trong đó nhà cung cấp phải thực hiện đầy đủ cung cấp các thông số thoả mãn chi tiết bản cam kết đặt ra. Còn phía đối tác cũng phải thực hiện đầy đủ điều khoản của mình. Nếu một mạng đƣợc tối ƣu hoàn toàn cho một loại dịch vụ, thì ngƣời sử dụng ít phải xác định chi tiết các thông số QoS. Ví dụ, với mạng PSTN, đƣợc tối ƣu cho thoại, không cần phải xác định băng thông hay trễ cần cho một cuộc gọi. Tất cả các cuộc gọi đều đƣợc đảm bảo QoS nhƣ đã đƣợc quy định trong các chuẩn liên quan cho điện thoại. Nếu nhìn từ góc độ mạng thì bất cứ một mạng nào cũng bao gồm: - Hosts (chẳng hạn nhƣ: Servers, PC ). - Các bộ định tuyến và các thiết bị chuyển mạch. - Đƣờng truyền dẫn. Nếu nhìn từ khía cạnh thƣơng mại: - Băng thông, độ trễ, jitter, mất gói, tính sẵn sàng và bảo mật đều đƣợc coi là tài nguyên của mạng. Do đó với ngƣời dùng cụ thể phải đƣợc đảm bảo sử dụng các tài nguyên một cách nhiều nhất. - QoS là một cách quản lý tài nguyên tiên tiến của mạng để đảm bảo có một chính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17. 15 sách ứng dụng đảm bảo. Vậy sự định nghĩa chính xác QoS là rất khó khăn nhƣng ta có thể hiểu chúng gần nhƣ là khả năng cung cấp dịch vụ (ở lớp phần tử mạng, vvv ) đƣa ra cho khách hàng thông qua những yêu cầu chính xác (trên khả năng thực tế hay lý thuyết) có thể đáp ứng dựa trên bản hợp đồng về thoả thuận lƣu lƣợng. Sự định nghĩa khuôn dạng của nó kết thành chất lƣợng dịch vụ của lớp mạng do sự phân phát chất lƣợng dịch vụ của peer-to-peer (ngang hàng) edge-to-edge (biên tới biên) hay end-to-end (đầu cuối tới đầu cuối). Lẽ tự nhiên những yêu cầu này có thể thay đổi từ phía ứng dụng cho ứng dụng hay từ phân phối dịch vụ. Vậy trong tất cả những điều đã nêu về cấp QoS, đảm bảo chất lƣợng và Service Level Agreement SLA thỏa thuận mức độ dịch vụ, để thoả mãn ta phải làm nhƣ thế nào? Vấn đề là bản chất định hƣớng IP là một mạng nỗ lực tối đa do đó “không tin cậy" khi yêu cầu nó đảm bảo về QoS. Cách tiếp cận gần nhất để các nhà cung cấp dịch vụ IP có thể đạt tới đảm bảo QoS hay SLA giữa khách hàng và ISP là với dịch vụ mạng IP đƣợc quản lý. Thuật ngữ đƣợc quản lý ở đây là bất cứ cái gì mà nhà cung cấp dịch vụ quản lý thay mặt cho khách hàng , điều đó cũng làm nâng cao đƣợc chất lƣợng dịch vụ. 1.2 Các thông số QoS Phần này sẽ giới thiệu qua về các thông số của QoS. Sáu thông số chung về chất lƣợng dịch vụ: - Băng thông. - Độ trễ (delay). - Jitter (biến động trễ). - Mất gói. - Tính sẵn sàng (tin cậy). - Bảo mật. Các giá trị ví dụ, đƣợc liệt kê trong Bảng 1.1. Bảng 1.1: Sáu thông số của QoS Thông số QoS Các giá trị ví dụ Băng thông (nhỏ nhất) 64 kb/s, 1.5 Mb/s, 45 Mb/s Trễ (lớn nhất) 50 ms trễ vòng, 150 ms trễ vòng Jitter (biến động trễ) 10% của trễ lớn nhất, 5 ms biến động Mất thông tin (ảnh hƣởng của lỗi) 1 trong 1000 gói chƣa chuyển giao Tính sẵn sàng (tin cậy) 99.99% Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18. 16 Bảo mật Mã hoá và nhận thực trên tất cả các luồng lƣu lƣợng 1.2.1 Băng thông Băng thông là một thông số quan trọng nhất, nếu chúng ta có băng thông dùng rộng rãi thì mọi vấn đề coi nhƣ không cần phải quan tâm đến, nhƣ nghẽn, kỹ thuật lập lịch, phân loại, trễ .tuy nhiên điều này là không thể xẩy ra. Băng thông chỉ đơn giản là thƣớc đo số lƣợng bit trên giây mà mạng sẵn sàng cung cấp cho các ứng dụng. Các ứng dụng bùng nổ (bursty) trên mạng chuyển mạch gói có thể chiếm tất cả băng thông của mạng nếu không có ứng dụng nào khác cùng bùng nổ với nó. Khi điều này xảy ra, các bùng nổ phải đƣợc đệm lại và xếp hàng chờ truyền đi, do đó tạo ra trễ trên mạng. Để giải quyết sự hạn chế băng thông này mà nhiều giải pháp tiết kiệm, hay khắc phục băng thông đƣợc đƣa ra. Khi đƣợc sử dụng nhƣ là một thông số QoS, băng thông là yếu tố tối thiểu mà một ứng dụng cần để hoạt động. Ví dụ, thoại PCM 64 kb/s cần băng thông là 64 kb/s. Điều này không tạo ra khác biệt khi mạng xƣơng sống có kết nối 45 Mb/s giữa các nút mạng lớn. Băng thông cần thiết đƣợc xác định bởi băng thông nhỏ nhất sẵn có trên mạng. Nếu truy nhập mạng thông qua một MODEM V.34 hỗ trợ chỉ 33.6 kb/s, thì mạng xƣơng sống 45 Mb/s sẽ làm cho ứng dụng thoại 64 kb/s không hoạt động đƣợc. Băng thông QoS nhỏ nhất phải sẵn sàng tại tất cả các điểm giữa các ngƣời sử dụng. Các ứng dụng dữ liệu đƣợc lợi nhất từ việc đạt đƣợc băng thông cao hơn. Điều này đƣợc gọi là các “ứng dụng giới hạn băng thông”, bởi vì hiệu quả của ứng dụng dữ liệu trực tiếp liên quan tới lƣợng nhỏ nhất của băng thông sẵn sàng trên mạng. Mặt khác, các ứng dụng thoại nhƣ thoại PCM 64 kb/s đƣợc gọi là các “ứng dụng giới hạn trễ”. Thoại PCM 64 kb/s này sẽ không hoạt động tốt hơn chút nào nếu có băng thông 128 kb/s. Loại thoại này phụ thuộc hoàn toàn vào thông số QoS trễ của mạng để có thể hoạt động đúng đắn. 1.2.2 Trễ Trễ liên quan chặt chẽ với băng thông khi nó là một thông số QoS. Với các ứng dụng giới hạn băng thông thì băng thông càng lớn trễ sẽ càng nhỏ. Đối với các ứng dụng giới hạn trễ, nhƣ là thoại PCM 64 kb/s, thông số QoS trễ xác định trễ lớn nhất các bit gặp phải khi truyền qua mạng. Tất nhiên là các bit có thể đến với độ trễ nhỏ hơn. Trễ đƣợc định nghĩa là khoảng thời gian chênh lệch giữa hai thời điểm của cùng một bít khi đi vào mạng (thời điểm bít đầu tiên vào với bít đầu tiên ra) . Với băng thông có nhiều cách tính, giá trị băng thông có thể thƣờng xuyên thay đổi. Nhƣng thông thƣờng giá trị băng thông đƣợc định nghĩa là số bit của một khung chia cho thời gian trôi qua kể từ khi bit đầu tiên rời khỏi mạng cho đến khi bit cuối cùng rời mạng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19. 17 n 6 5 4 3 2 1 t2 t3 X(bit) Bít đầu tiên ra Bít cuối cùng ra Hình (a) 1 1 t1 t2 Bít đầu tiên vào Bít đầu tiên ra Hình (b) Hình 1.1 (a) băng thông , (b) trễ Mối quan hệ giữa băng thông và trễ trong mạng đƣợc chỉ ra trong hình 2.1. Trong phần (b), t2 – t1 = số giây trễ. Trong phần (a), X bit/ (t3 - t2) = bit/s băng thông. Nhiều băng thông hơn có nghĩa là nhiều bit đến hơn trong một đơn vị thời gian, trễ tổng thể nhỏ hơn. Đơn vị của mỗi thông số, bit/s với băng thông hay giây với trễ, cho thấy mối quan hệ hiển nhiên giữa băng thông và trễ. Các mạng chuyển mạch gói cung cấp cho các ứng dụng các băng thông biến đổi phụ thuộc vào hoạt động và bùng nổ của ứng dụng. Băng thông biến đổi này có nghĩa là trễ cũng có thể biến đổi trên mạng. Các nút mạng đƣợc nhóm với nhau cũng có thể đóng góp vào sự biến đổi của trễ. Tuy nhiên, thông số QoS trễ chỉ xác định trễ lớn nhất và không quan tâm tới bất kỳ giới hạn nhỏ hơn nào cho trễ của mạng. Nếu cần trễ ổn định, một thông số QoS khác phải quan tâm đến yêu cầu này. Một số nguyên nhân gây ra trễ trong mạng IP:  Trễ do quá trình truyền trên mạng.  Trễ do xử lý gói trên đƣờng truyền.  Trễ do xử lý hiện tƣợng jitter.  Trễ do việc xử lý sắp xếp lại gói đến (xử lý tại đích). 1.2.3 Jitter (Biến động trễ) Biến động trễ là sự khác biệt về độ trễ của các gói khác nhau trong cùng một dòng lƣu lƣợng. Biến động trễ có tần số cao đƣợc gọi là jitter với tần số thấp gọi là eander. Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tƣợng jitter do sự sai khác trong thời gian xếp hàng của các gói liên tiếp nhau trong một hàng gây ra.Trong mạng IP jitter ảnh hƣởng rất lớn tới chất lƣợng dịch vụ của tất cả các dịch vụ. Thông số QoS jitter thiết lập giới hạn lên giá trị biến đổi của trễ mà một ứng dụng có thể gặp trên mạng. Jitter không đặt một giới hạn nào cho giá trị tuyệt đối của trễ, nó có thể thể tƣơng đối thấp hoặc cao phụ thuộc vào giá trị của thông số trễ. Jitter theo lý thuyết có thể là một giá trị thông số QoS mạng tƣơng đối hay tuyệt đối. Ví dụ, nếu trễ mạng cho một ứng dụng đƣợc thiết lập là 100 ms, jitter có thể đặt là cộng hay trừ 10 phần trăm của giá trị này. Theo đó, nếu mạng có trễ trong khoảng 90 đến 110 ms thì vẫn đạt đƣợc yêu cầu về jitter (trong trƣờng hợp này, rõ ràng là trễ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20. 18 không phải là lớn nhất). Nếu trễ là 200 ms, thì 10 phần trăm giá trị jitter sẽ cho phép bất kỳ trễ nào trong khoảng 180 đến 220 ms. Mặt khác, jitter tuyệt đối giới hạn cộng trừ 5 ms sẽ giới hạn jitter trong các ví dụ trên trong khoảng từ 95 tới 105 ms và từ 195 tới 205 ms. Các ứng dụng nhạy cảm nhất đối với giới hạn của jitter là các ứng dụng thời gian thực nhƣ thoại hay video. Nhƣng đối với các trang Web hay với truyền tập tin qua mạng thì lại ít quan tâm hơn đến jitter. Internet, là gốc của mạng dữ liệu, có ít khuyến nghị về jitter. Các biến đổi của trễ tiếp tục là vấn đề gây bực mình nhất gặp phải đối với các ứng dụng video và thoại dựa trên Internet. 1.2.4 Mất gói Mất thông tin là một thông số QoS không đƣợc đề cập thƣờng xuyên nhƣ là băng thông và trễ, đặc biệt đối với mạng Internet. Đó bởi vì bản chất tự nhiên đƣợc thừa nhận của mạng Internet là "cố gắng tối đa". Nếu các gói IP không đến đƣợc đích thì Internet không hề bị đổ lỗi vì đã làm mất chúng. Điều này không có nghĩa là ứng dụng sẽ tất yếu bị lỗi, bởi vì đối với những dịch vụ khác nhau đều đặt ra giá trị ngƣỡng của riêng mình. Nếu các thông tin bị mất vẫn cần thiết đối với ứng dụng thì nó sẽ yêu cầu bên gửi gửi lại bản sao của thông tin bị mất. Bản thân mạng không quan tâm giúp đỡ vấn đề này, bởi vì bản sao của thông tin bị mất không đƣợc lƣu lại tại bất cứ nút nào của mạng. Thực ra Internet là mạng của các mạng và không có cơ chế giám sát đầy đủ nào đảm bảo chất lƣợng thông tin truyền. Hiện tƣợng mất gói tin là kết quả của rất nhiều nguyên nhân : Quá tải lƣợng ngƣời truy nhập cùng lúc mà tài nguyên mạng còn hạn chế. Hiện tƣợng xung đột trên mạng LAN. Lỗi do các thiết bị vật lý và các liên kết truy nhập mạng. Cho một ví dụ nếu một kết nối bị hỏng, thì tất cả các bit đang truyền trên liên kết này sẽ không, và không thể, tới đƣợc đích. Nếu một nút mạng ví dụ nhƣ bộ định tuyến hỏng, thì tất cả các bit hiện đang ở trong bộ đệm và đang đƣợc xử lý bởi nút đó sẽ biến mất không để lại dấu vết. Do những loại hƣ hỏng này trên mạng có thể xảy ra bất cứ lúc nào, nên việc một vài thông tin bị mất do lỗi trên mạng là không thể tránh khỏi. Tác động của mất thông tin là tuỳ thuộc và ứng dụng. Điều khiển lỗi trên mạng là một quá trình gồm hai bƣớc, mà bƣớc đầu tiên là xác định lỗi. Bƣớc thứ hai là khắc phục lỗi, nó có thể đơn giản là bên gửi truyền lại đơn vị bị mất thông tin. Một vài ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng thời gian thực, không thể đạt hiệu quả khắc phục lỗi bằng cách gửi lại đơn vị tin bị lỗi. Các ứng dụng không phải thời gian thực thì thích hợp hơn đối với cách truyền lại thông tin bị lỗi, tuy nhiên cũng có một số ngoại lệ (ví dụ nhƣ các hệ thống quân sự tấn công mục tiêu trên không thể sử dụng hiệu quả với cách khắc phục lỗi bằng truyền lại). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21. 19 Vì những lý do này, thông số QoS mất thông tin không những nên định rõ một giới hạn trên đối với ảnh hƣởng của lỗi mà còn nên cho phép ngƣời sử dụng xác định xem có lựa chọn cách sửa lỗi bằng truyền lại hay không. Tuy nhiên, hầu hết các mạng (đặc biệt là mạng IP) chỉ cung cấp phƣơng tiện vận chuyển thụ động, còn xác định lỗi, khắc phục lỗi thƣờng đƣợc để lại cho ứng dụng (hay ngƣời sử dụng). 1.2.5 Tính sẵn sàng (Độ tin cậy) Là tỉ lệ thời gian mạng hoạt động để cung cấp dịch vụ. Yếu tố này bất kỳ nhà cung cấp dịch vụ nào tối thiểu cũng phải có. Tổn thất khi mạng bị ngƣng trệ là rất lớn. Tuy nhiên, để đảm bảo đƣợc tính sẵn sàng chúng ta cần phải có một chiến lƣợc đúng đắn, ví dụ nhƣ: định kỳ tạm thời tách các thiết bị ra khỏi mạng để thực hiện các công việc bảo dƣỡng, trong trƣờng hợp mạng lỗi phải chuẩn đoán trong một khoảng thời gian ngắn nhất có thể để giảm thời gian ngừng hoạt động của mạng. Tất nhiên, thậm chí với một biệt pháp bảo dƣỡng hoàn hảo nhất cũng không thể tránh đƣợc các lỗi không thể tiên đoán trƣớc. Đối với mạng PSTN vì là mạng thoại nên điều này luôn luôn chiếm một vị trí quan trọng. Mạng đảm bảo hoạt động 24/24 trong ngày , tất cả những ngày lễ, kỉ niệm, khi nhu cầu lớn hay ngay cả khi nhu cầu giảm xuống rất thấp. Thông thƣờng tỉ lệ thời gian hoạt động là 99,999% hay 5,25‟/ năm. Mạng dữ liệu thực hiện công việc đó dễ hơn. Hầu hết mạng dữ liệu dành cho kinh doanh, và do đó hoạt động trong những giờ kinh doanh, thƣờng là từ 8 giờ sáng đến 5 giờ chiều, từ thứ Hai đến thứ Sáu. Hoạt động bổ trợ có thể thực hiện "ngoài giờ", và một tập kiểm tra đầy đủ với mục đích phát hiện ra các vấn đề có thể chạy trong ngày nghỉ. Internet và Web đã thay đổi tất cả. Mọi mạng toàn cầu phải giải quyết vấn đề rằng thực sự có một số ngƣời luôn cố gắng truy nhập vào mạng tại một số địa điểm. Và thậm chí Internet có thể thậm chí có ích ở nhà vào 10 giờ tối hơn là ở cơ quan vào 2 giờ chiều. Tuy nhiên, nếu ngƣời sử dụng nhận thức rõ rằng họ không thể có mạng nhƣ mong muốn trong tất cả thời gian Tuy nhiên thông số QoS khả dụng thƣờng đƣợc quy cho mỗi vị trí hoặc liên kết riêng lẻ. 1.2.6 Bảo mật Bảo mật là một thông số mới trong danh sách QoS, nhƣng lại là một thông số quan trọng. Thực tế, trong một số trƣờng hợp độ bảo mật có thể đƣợc xét ngay sau băng thông. Gần đây, do sự đe doạ rộng rãi của các hacker và sự lan tràn của virus trên mạng Internet toàn cầu đã làm cho bảo mật trở thành vấn đề hàng đầu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22. 20 Hầu hết vấn đề bảo mật liên quan tới các vấn đề nhƣ tính riêng tƣ, sự tin cẩn và xác nhận khách và chủ. Các vấn đề liên quan đến bảo mật thƣờng đƣợc gắn với một vài hình thức của phƣơng pháp mật mã, nhƣ mã hoá và giải mã. Các phƣơng pháp mật mã cũng đƣợc sử dụng trên mạng cho việc xác nhận (authentication), nhƣng những phƣơng pháp này thƣờng không liên quan chút nào đến vấn đề giải mã. Toàn bộ kiến trúc đều xuất phát từ việc bổ sung thêm tính riêng tƣ hoặc bí mật và sự xác nhận hoặc nhận thực cho mạng Internet. Giao thức bảo mật chính thức cho IP, gọi là IPSec, đang trở thành một kiến trúc cơ bản để cung cấp thƣơng mại điện tử trên Internet và ngăn ngừa gian lận trong môi trƣờng VoIP. Thật trớ trêu là mạng Internet công cộng toàn cầu, thƣờng xuyên bị coi là thiếu bảo mật nhất, đã đƣa vấn đề về bảo mật trở thành một phần của IP ngay từ khi bắt đầu. Một bit trong trƣờng loại dịch vụ (ToS) trong phần tiêu để gói IP đƣợc đặt riêng cho ứng dụng để có thể bắt buộc bảo mật khi chuyển mạch gói. Tuy nhiên lại nảy sinh một vấn đề là không có sự thống nhất giữa các nhà sản xuất bộ định tuyến khi sử dụng trƣờng ToS. Ngƣời sử dụng và ứng dụng có thể thêm phần bảo mật của riêng mình vào mạng, và trong thực tế, cách này đã đƣợc thực hiện trong nhiều năm. Nếu có chút nào bảo mật mạng, thì nó thƣờng dƣới dạng một mật khẩu truy nhập vào mạng. Các mạng ngày nay cần một cơ chế bảo mật gắn liền với nó, chứ không phải thêm vào một cách bừa bãi bởi các ứng dụng. Một thông số QoS bảo mật điển hình có thể là "mã hoá và nhận thực đòi hỏi trên tất cả các luồng lƣu lƣợng". Nếu có lựa chọn, thì truyền dữ liệu có thể chỉ cần mã hoá, và kết nối điện thoại Internet có thể chỉ cần nhận thực để ngăn gian lận. 1.3 Yêu cầu QoS đối với các dịch vụ khác nhau 1.3.1 Ứng dụng E-mail, FTP E-mail là một dịch vụ phổ biến nhất trên Internet trƣớc khi World Wide Web ra đời, nó đƣợc đƣa ra để ngƣời sử dụng trên mạng có thể trao đổi các thông báo cho nhau trên phạm vi thế giới. Bằng dịch vụ này, mọi ngƣời sử dụng máy tính kết nối với Internet đều có thể trao đổi thông tin với nhau. Đây là một dịch vụ mà hầu hết các mạng diên rộng đều cài đặt và cũng là dịch vụ cơ bản nhất của một mạng khi gia nhập Internet. Nhiều ngƣời sử dụng máy tính tham gia mạng chỉ dùng duy nhất dịch vụ này. Dịch vụ này sử dụng giao thức SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) trong họ giao thức TCP/IP. Một điểm mạnh của thƣ điện tử là nó là phƣơng thức trao đổi thông tin nhanh chóng và thuận tiện. Ngƣời sử dụng có thể trao đổi những bản tin ngắn hay dài chỉ bằng một phƣơng thức duy nhất. Rất nhiều ngƣời sử dụng thƣờng truyền tập tin thông qua thƣ điện tử chứ không phải bằng các chƣơng trình truyền tập tin thông thƣờng. Đặc điểm của dịch vụ thƣ điện tử là không tức thời (off-line) - tất cả các yêu cầu gửi đi không đòi hỏi phải đƣợc xử lý ngay lập tức. Khi ngƣời sử dụng gửi một bức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23. 21 thƣ, hệ thống sẽ chuyển thƣ này vào một vùng riêng (gọi là spool) cùng với các thông tin về ngƣời gửi, ngƣời nhận, địa chỉ máy nhận Hệ thống sẽ chuyển thƣ đi bằng một chƣơng trình không đồng bộ (background). Chƣơng trình gửi thƣ này sẽ xác định địa chỉ IP máy cần gửi tới, tạo một liên kết với máy đó. Nếu liên kết thành công, chƣơng trình gửi thƣ sẽ chuyển thƣ tới vùng spool của máy nhận. Nếu không thể kết nối với máy nhận thì chƣơng trình gửi thƣ sẽ ghi lại những thƣ chƣa đƣợc chuyển và sau đó sẽ thử gửi lại một lần nó hoạt động. Khi chƣơng trình gửi thƣ thấy một thƣ không gửi đƣợc sau một thời gian quá lâu (ví dụ 3 ngày) thì nó sẽ trả lại bức thƣ này cho ngƣời gửi. Với cơ chế hoạt động nhƣ trên thì rõ ràng đối với dịch vụ E-mail không đòi hỏi yếu tố thời gian thực do vậy yêu cầu QoS đòi hỏi không quá lớn. Khi mạng xẩy ra tắc nghẽn các mail có thể ngừng chuyển đi mà có thể đợi khi mạng rỗi trở lại thì thực hiện truyền đi. Tuy nhiên một yêu cầu đối vơi E-mail đó là độ tin cậy, các gói gửi đi phải đảm bảo đến đích và nội dung cần phải chính xác hòan toàn. Do vậy đòi hỏi mạng không bị mất gói, hoặc khi có xẩy ra mất gói thì phải có cơ chế truyền lại an toàn do vậy E-mail sử dụng TCP. FTP (File Transfer Protocol) là giao thức truyền một file từ một host tới một host khác. Hình 1.2 diễn tả tổng quan về FTP ` Server Giao tiếp Truyền file ngƣời dùng FTP Client FTP Server FTP User Ngƣời dùng tại trạm File hệ thống File hệ thống remote local Hình 1.2: FTP truyền file giữa các hệ thống Dịch vụ FTP có những yêu cầu giống với dịch vụ E-mail về chất lƣợng truyền dẫn, nó không đòi hỏi nhiều về độ trễ hay jitter, các file có thể đến đích nhanh khi có nhiều băng thông hay chậm khi băng thông bị hạn chế nhƣng quan trọng các gói nhận đƣợc phải đầy đủ và không có lỗi. FTP cũng sử dụng giao thức TCP để khi có mất gói hay lỗi gói thì có sự truyền lại. 1.3.2 Ứng dụng Streaming, âm thanh hình ảnh lưu trước Có rất nhiều ứng dụng khác nhau chạy trên nền mạng Internet nhƣ Streaming, Stored Audio và video. Trong các ứng dụng này, các client đƣa ra yêu cầu các file âm thanh hình ảnh nén đƣợc lƣu trữ trong máy chủ. Các file âm thanh đƣợc lƣu trƣớc có thể gồm thu thanh bài giảng của một giáo sƣ, một bài hát, một bản giao hƣởng, nội dung từ một kênh radio quảng bá, hoặc một đoạn ghi âm lịch sử. Các file video đƣợc lƣu trƣớc có thể gồm có các video về một bài giảng của giáo sƣ, đủ một bộ phim, các chƣơng trình tivi đã ghi lại từ trƣớc, phim tài liệu, các hình ảnh về các sự kiện lịch sử, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
24. 22 các clip nhạc hình hay hoạt hình. Có ba đặc tính quan trọng để phân biệt các lớp ứng dụng này. Stored Media: các nội dung media đã đƣợc ghi trƣớc và đƣợc lƣu tại máy chủ. Do vậy, ngƣời dùng có thể tạm dừng, tua lại và tua nhanh cũng nhƣ chọn điểm xem của chƣơng trình. Thời gian từ khi một client đƣa ra yêu cầu đến khi hình ảnh hiện ra tại client vào khoảng 1 tới 10 giây là có thể chấp nhận đƣợc. Streaming: Trong hầy hết các ứng dụng âm thanh, hình ảnh một máy khách bắt đầu hiển thị các âm thanh hình ảnh sau khi nó nhận file từ máy chủ. Bằng cách này mà máy khách sẽ hiển thị đƣợc hình ảnh, âm thanh từ chỗ trong file trong khi nó vẫn nhận phần còn lại của file từ máy chủ. Kỹ thuật này gọi là streaming, để tránh việc phải dowload toàn bộ file (và phải chịu độ trễ lớn) trƣớc khi bắt đầu hiển thị ra. Có nhiều sản phẩm phần mền phục vụ cho streaming đa phƣơng tiện, gồm có RealPlayer của hãng RealNetwork vàWindows Media của Microsoft. Tuy nhiên cũng có các ứng dụng nhƣ Napster yêu cầu tòan bộ file phải đƣợc dowload trƣớc khi bắt đầu hiện thị. Continuous phayout: Khi bắt đầu hiển thị một hình ảnh, nên bắt đầu dựa vào định thời gốc của hình ảnh. Cách này tạo ra một độ trễ đáng kể cho việc phân phát dữ liệu. Dữ liệu phải đƣợc nhận từ máy chủ kịp thời cho việc hiển thị ở máy khách; ngƣợc lại thì mọi thứ trở nên vô nghĩa. Trễn end to end là bắt buộc đối với streaming, stored media thƣờng ít liên tục hơn so với các chƣơng trình trực tuyến, các ứng dụng tƣơng tác nhƣ là thoại trên internet và hội nghị truyền hình. 1.3.3 Ứng dụng Streaming cho âm thanh, hình ảnh sống Lớp ứng dụng này tƣơng tự nhƣ các chƣơng trình radio và tive quản bá cổ điển, ngoại trừ việc truyền dẫn là thông qua Internet. Các ứng dụng này cho phép một ngƣời dùng nhận live radio hoặc tivi truyền từ bất cứ nơi nào trên thế giới. Có thể xen trên Yahoo !Broadcast 2000 và Netradio 2000 trên Internet. Bởi vì streaming của âm thanh hình ảnh sống không đƣợc lƣu trƣớc, một máy khách không thể tua nhanh. Hơn nữa với phần dữ liệu đã đƣợc lƣu trong bộ nhớ của máy khách, thì các hành động tƣơng tác nhƣ là dừng và tua lại là có thể thực hiện ở một số ứng dụng. Các ứng dụng sống, quảng bá online thƣờng có nhiều máy khách nhận cùng một chƣơng trình. Việc phân bố ânh thanh/ hình ảnh tới nhiều nơi nhận có thể đạt đƣợc bằng kỹ thuật multicast. 1.3.4 Ứng dụng Hình ảnh âm thanh tương tác thời gian thực Lớp ứng dụng này cho phép ngƣời dùng sử dụng âm thanh hình ảnh để kết nối với ngƣời khác theo thời gian thực. Âm thanh tƣơng tác thời gian thực thƣờng đƣợc đề cập tới là điện thoại Internet, theo quan điểm từ phía ngƣời dùng, nó tƣơng đƣơng nhiƣ dịch vụ điện thoại chuyển mạch kênh cổ điển. Điện thoại internet có thể cung cấp bằng các tổng đài nội bộ PBX, dịch vụ điện thoại đƣờng dài với giá cả thấp. Nó cũng cung cấp cả dịch vụ tích hợp điện thoại máy tình, kết nối nhóm thời gian thực, các dịch vụ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
25. 23 chuyển huớng, định danh ngƣời gọi, lọc ngƣời gọi và nhiều dịch vụ khác. Hiện nay đã có nhiều sản phẩn điện thoại Internet. Với các video tƣơng tác hay còn gọi là hội nghị truyền hình thì có sản phẩm NetMeeting của Microsoft. Chú ý rằng các ứng dụng âm thanh hình ảnh tƣơng tác, một user có thể nói hoặc di chuyển bắt cứ lúc nào. Với một cuộc hội thoại tƣơng tác giữa nhiều ngƣời, trễ từ lúc một ngƣời nói và di chuyển cho tới khi hành động đó đƣợc chuyển tới đầu nhận nên nhỏ hơn một vài trăm ms. Với âm thanh, độ trễ nhỏ hơn 150ms là không thể cảm nhận đƣợc đối với ngƣời nghe. Độ trễ từ 150ms tới 400ms là có thể chấp nhận đƣợc, và độ trễ lớn hơn 400ms là có thể dẫn đến cuộc hội thoại mà các bên không hiểu nhau nói gì. 1.3.5 Ví dụ về điện thoại VOIP: Tầng IP cung cấp các dịch vụ best-effort. Với best-effort các gói đƣợc truyền đi từ nguồn tới đích một cách nhanh nhất có thể. Hơn nữa, best-effort không đảm bảo bất cứ điều gì về độ trễ end to end của các gói, hay biến động trễ hay việc mất gói trong luồng dữ liệu. Các ứng dụng đa phƣơng tiện tƣơng tác thời gian thực, nhƣ là điện thoại internet và hội nghị truyền hình thời gian thực thƣờng rất nhẩy cảm với trễ gói, biến động trễ và mất gói. Chính vì vậy cần phải có các kỹ thuật để đảm bảo các ứng dụng âm thanh hình ảnh khi truyền qua mạng mà các giá trị về trễ, jitter và mất gói không vƣợt quá mức quy định. Chúng ta sẽ xem xét một kỹ thuật trong ngữ cảnh là ứng dụng điện thoại Internet và trong hội nghị truyền hình thời gian thực thì cũng tƣơng tự. Một ngƣời gọi điện trong ứng dụng VOIP sinh ra một tín hiệu âm thanh gồm có khoảng có âm và các khoảng lặng. Để tiết kiệm băng thông, ứng dụng điện thoại internet chỉ sinh ra các gói trong khi nói. Trong khi nói ngƣời gửi sinh ra các byte với tốc độ 8Kbyte/s, và cứ 20 ms ngƣời gửi tập hợp các byte thành các đoạn. Bởi vậy, số lƣợng byte trong một đoạn là (20ms).(8byte)=160 byte. Một đoạn đầu mào đƣợc gắn vào mỗi đoạn. Các đoạn và đầu mào của nó đƣợc đóng gói trong khung UTP, rồi các khung UTP đƣợc gửi tới giao diện Socket. Bởi vậy trong quá trình nói, một khung UTP đƣợc gửi định kỳ 20ms. Nếu nhƣ mỗi gói truyền tới phía nhận với độ trễ cố định, các gói đƣợc nhận ở phía ngƣời nghe định kỳ 20ms trong quá trình nói. Trong điều kiện lý tƣởng, phía nhận có thể nghe lại các đoạn một cách đơn giản. Nhƣng, một số gói có thể bị mất và các gói sẽ không có cùng độ trễ, đặc biệt trong khi xẩy ra tắc nghẽn trên mạng. Vì vậy phía nhận phải quan tâm tới việc xác định khi nào diễn tả lại đoạn và xác định làm gì với các đoạn mất. Hạn chế của dịch vụ Best-effort Nhƣ đã đề cập dịch vụ best-effort có thể dẫn đến mất gói, trễ lớn và biến động trễ lớn. Bây giời ta sẽ xem xét vấn đề này một cách chi tiết hơn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
26. 24 Mất gói: Giả sử một khung UDP đƣợc sinh ra bởi ứng dụng VOIP. Các khung UDP đƣợc đóng gói trong IP packet. Khi các packet truyền đi trong mạng, nó phải đi qua các buffer (hành đợi) trong các router để đi tới đƣờng ra. Hoàn toàn có thể là một hoặc nhiều hàng đợi trong router bị đầy và không thể tiếp nhận các IP packet. Trong trƣờng hợp này, các IP packet sẽ bị loại bỏ và phía nhận sẽ không thể nhận đƣợc. Mất gói có thể loại bỏ bằng cách gửi các gói thông qua TCP mà không dùng UDP. Bởi TCP truyền lại các gói không nhận đƣợc từ phía đích. Hơn nữa, kỹ thuật truyền lại không phù hợp với các ứng dụng tƣơng tác thời gian thực nhƣ là VOIP bởi vì chúng sẽ tăng độ trễ. Hơn nữa, bởi vì đặc tính điều khiển tắc nghẽn của TCP, sau khi gói mất tốc độ truyền tại phía gửi có thể giảm và làm cho tốc độ này nhỏ hơn tốc độ ở phía nhận. Điều này có thể có một số trở ngại trong vấn đề nhận dạng âm thanh tại phía thu. Với lý do đó, hầu hết các ứng dụng VOIP thƣờng chạy trên UDP và không thực hiện việc truyền lại gói tin. Thực ra vấn đề mất gói không nghiêm trọng nhƣ chúng ra nghĩ. Thực ra, tỷ lệ mất gói nằm trong khoảng từ 1% đến 20% có thể chấp nhận đƣợc, dựa vào cách mà âm thanh mã hóa và truyền đi, và cách mà mất gói có thể che giấu ở phía thu. Ví dụ, forward error correction (FEC) có thể giúp cho việc che giấu đƣợc sự mất gói. Với FEC, các thông tin dƣ thừa đƣợc truyền cùng với thông tin gốc để mà một số dữ liệu gốc lỗi có thể khôi phục lại từ các dữ liệu dƣ thừa. Tuy nhiên, nếu một hoặc một số đƣờng link giữa ngƣời nhận và ngƣời gửi có tắc nghẽn, các gói mất vƣợt quá 20% thì khó có thể đảm bảo chất lƣợng âm thanh. Trễ end to end: Trễ end to end là gồm có trễ xử lý và trễ hàng đợi trên router, trễ lan truyền, và các trễ xử lý tại đầu cuối dọc theo đƣờng từ nguồn tới đích. Với những ứng dụng tƣơng tác cao, nhƣ là VOIP, trễ end to end nhỏ hơn 150ms thì ngƣời nghe sẽ không cảm nhận đƣợc; trễ giữa 150ms và 400ms có thể chấp nhận đƣợc nhƣng chƣa lý tƣởng; và trễ vƣợt quá 40 ms sẽ làm hỏng các cuộc hội thoại tƣơng tác bằng âm thanh. Biến động trễ : Một thành phần chủ yếu đối với trễ end to end là trễ hành đợi ngẫu nghiê trong một router. Bởi vì trễ là khác nhau trong mạng, thời gian từ lúc một gói đƣợc sinh ra ở nguồn cho đến khi nó nhận ở phía thu có thể giao động giữa các gói với nhau. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là jitter. Một ví dụ, giả sử hai gói liên tiếp nhau trong lúc phát tiếng nói đi vào ứng dụng VOIP. Ngƣời gửi gửi gói thứ hai 20ms sau khi gửi gói thứ nhất. Nhƣng ở phía nhận, khoảng thời gian giữa các gói có thể lên đến hơn 20ms. Để làm rõ điều này, giả sử gói đầu tiên ở gần hàng đợi trống của router, nhƣng sau khi gói thứ nhất rời đi thì tại hàng đợi có nhiều gói từ nguồn khác đến cùng hàng đợi đó. Do vậy gói thứ hai phải chịu độ trễ hàng đợi lớn hơn, gói thứ nhất và thứ hai trở nên xa nhau hơn 20ms. Khoảng thời Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
27. 25 gian giữa các gói cũng có thể nhỏ hơn 20ms. Để thấy rõ điều này, lại giả sử hai gói liên tiếp trong đó gói thứ nhất đi vào phần cuối của hàng đợi với một số lƣợng lớn các gói, và gói thứ hai đến hàng đợi trƣớc khi các gói từ nguồn khác tới. Trong trƣờng hợp này, hai gói đang xét sẽ ở gần kề nhau trong hàng đợi. Nếu nhƣ thời gian để truyền một gói trong đi ra ngoài nhỏ hơn 20ms thì gói thứ nhất và thứ hai sẽ cách nhau khoảng thời gian nhỏ hơn 20ms. Nếu nhƣ phía nhận bỏ qua sự tồn tại của jitter, và khôi phục các đoạn nhƣ là những gì nhận đƣợc, khi đó sẽ dẫn đến chất lƣợng âm thanh trở nên không nhận ra tại phía thu. Tuy nhiên jitter có thể đƣợc loại bỏ bằng cách sử dụng sequence number, timestamps và plauout delay. Loại bỏ jitter tại đầu thu đối với âm thanh Đối với ứng dụng âm thanh nhƣ VOIP hoặc âm nhạc theo yêu cầu, phía nhận nên cung cấp khả năng phát đồng bộ các đoạn âm thanh khi mà vẫn tồn tại jitter mạng. Điều này thực hiện đƣợc bằng việc kết hợp ba kỹ thuật sau : Gán vào mỗi đoạn một số liên tục. Ngƣời gửi tăng dãy số liên tục lên một đối với các gói tin sinh ra. Gán cho mỗi đoạn một nhãn thời gian. Phía gửi gán mỗi đoạn một thời gian cho mỗi đoạn đƣợc sinh ra. Hiển thị trễ các đoạn ở phía nhận. Hiển thị trễ các đoạn âm thanh nhận đƣợc phải đủ dài để cho các gói nhận đƣợc trƣớc khi lên lịch hiển thị. Trễ hiển thị có thể đƣợc cố định trong khoảng thời gian trong suốt toàn bộ thời gian hội nghị, hoặc có thể thay đổi tùy biến trong thời gian hội nghị. Các gói không đến đƣợc trƣớc khi thời gian lên lịch hiển thị sẽ bị coi là mất; nhƣ đã đề cập, phía nhận có thể sử dụng một số dạng nội suy tiếng nói để cố gắng làm ẩn đi sự mất gói. Khôi phục lại gói mất: Chỉnh sửa dữ liệu phía người gửi (Sender-Based Repair) Một số kỹ thuật chỉnh sửa dữ liệu với sự tham gia của bên gửi luồng dữ liệu có thể để phục hồi các gói bị mất. Các kỹ thuật này có thể chia thành hai loại: sự truyền lại tích cực và mã hoá kênh thụ động. Mã hoá kênh thụ động lại đƣợc chia làm hai dạng là sửa lỗi trƣớc (FEC: Forward Error Correction) và sự sắp xếp đan xen. FEC có thể là : không phụ thuộc môi trƣờng (media-independent) hay phụ thuộc môi trƣờng (media-specific). Sự phân loại này đƣợc thể hiện ở hình 1.3. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
28. 26 Sửa lỗi dựa trên ngƣời gửi Chủ động Thụ động Truyền lại Đan xen Sửa lỗi trƣớc Phụ thuộc môi Độc lập môi trƣờng trƣờng Hình 1.3: Phân loại các kỹ thuật sửa đổi dữ liệu phía người gửi Để đơn giản cho thảo luận tiếp theo chúng ta tách biệt khái niệm đơn vị dữ liệu và gói dữ liệu. Một đơn vị là một khoảng thời gian dữ liệu về âm thanh, chúng đƣợc lƣu trữ ở thiết bị đầu cuối tại công cụ audio. Một gói bao gồm một hay nhiều đơn vị liên kết với nhau để truyền dẫn trên mạng. - Sửa lỗi trƣớc (Forward Error Correction) Một số kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi trƣớc đã đƣợc phát triển để khắc phục sự mất mát dữ liệu trong thời gian truyền dẫn. Bằng cách đƣa thêm dữ liệu vào luồng gửi đi ta có thể phục hồi đƣợc nội dung của các gói bị mất. + FEC độc lập với môi trƣờng (Media-independent FEC) Có nhiều phƣơng pháp mã hoá FEC không phụ thuộc vào dữ liệu nhƣ là mã hoá đại số hay mã khối để thêm vào các gói tin trong quá trình truyền dẫn giúp chúng ta hiệu chỉnh sự mất gói. Mỗi mã có một từ mã riêng và kết hợp với k gói dữ liệu để tạo ra n-k gói kiểm tra, kết quả là số gói đƣợc truyền trên mạng là n gói. 1 2 3 4 Luồng gốc Hiệu chỉnh lỗi trƣớc 1 2 3 4 FEC 1 2 4 FEC Mất gói 1 2 3 4 Luồng khôi phục Hình 1.4: Sửa đổi dữ liệu sử dụng FEC Có rất nhiều cách mã hoá khối song ở đây chỉ đề cập đến hai cách là : mã hoá chẵn lẻ và mã Reed-Solomon. Các cách mã hoá khối này đầu tiên đƣợc sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh các lỗi trong luồng bít truyền dẫn bằng cách tạo ra các bít kiểm tra từ các bít dữ liệu. Một luồng các gói đƣợc truyền đi chúng ta quan tâm tới sự mất mát các gói tin của nó vì vậy chúng ta phải áp dụng cách mã hoá khối thông qua các các bít trong các khối của các gói tin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
29. 27 Trong mã hoá chẵn lẻ các thao tác XOR đƣợc áp dụng cho một nhóm các gói để tạo ra các gói tin chẵn lẻ phù hợp. Trong giản đồ hình 1.4 thì cứ n-1 gói dữ liệu lại truyền đi một gói chẵn lẻ. Với điều kiện chỉ mất một gói trong n gói dữ liệu đƣợc truyền đi thì gói mất đó sẽ đƣợc phục hồi lại. Có nhiều cách mã hoá chẵn lẻ khác nhau bắt nguồn từ sự tổ hợp khác nhau về XOR của các gói. Một vài cách mã hoá kiểu này đƣợc đề cập bởi Budge và đã đƣợc tổng kết bởi Rosenberg và Schulzrinne. Mã Reed- Solomon (RS) rất nổi tiếng về việc hiệu chỉnh các lỗi. Việc mã hoá dựa trên thuộc tính của các đa thức. Bản chất của mã hoá RS là lấy một số từ mã và sử dụng chúng làm hệ số của đa thức f(x). Phƣơng pháp FEC có nhiều ƣu điểm. Trƣớc tiên, về cách mã hoá độc lập với môi trƣờng, các thao tác của FEC không phụ thuộc vào nội dung gói tin và khi sửa chữa sẽ lập lại chính xác vị trí của gói tin bị mất. Các thao tác tính toán nhằm khắc phục gói tin bị mất và khôi phục chúng là rất đơn giản. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là thêm độ trễ, tăng băng thông và công cụ mã hoá khó khăn. + FEC phụ thuộc vào môi trƣờng (Media-specific FEC) Một cách đơn giản để chống lại sự mất gói tin là truyền mỗi khối audio trong nhiều gói. Nếu một gói bị mất thì nội dung của gói khác có khối tƣơng tự sẽ khôi phục lại gói bị mất đó. Nguyên lý này đƣợc minh hoạ trong hình 1.5. Cách làm này đƣợc đề nghị bởi Hardman và Bolot và đƣợc mở rộng bởi Podolsky. 1 2 3 4 Luồng gốc Môi trƣờng riêng FEC 1 1 2 2 3 3 4 1 1 2 3 4 Mất gói 1 2 3 4 Khôi phục luồng Hình 1.5: Sửa chữa sử dụng FEC phụ thuộc vào môi trường. Bản sao truyền dẫn đầu tiên của dữ liệu audio đƣợc truyền nhƣ là mã hoá chính và sau đó truyền tiếp theo nhƣ là mã hoá phụ. Ta có thể gửi lƣợc đồ mã hoá phụ giống nhƣ lƣợc đồ mã hoá chính. Nhƣng thƣờng thì sơ đồ mã hoá phụ có băng thông nhỏ hơn và chất lƣợng thấp hơn sơ đồ mã hoá chính. Lựa chọn sơ đồ mã hoá là vấn đề khó khăn và phụ thuộc vào cả yêu cầu băng thông và độ phức tạp tính toán của bộ mã hoá (Erdol sử dụng phƣơng pháp mã hóa và giải mã thông qua việc đo và thống kê các bit 0 (zero) trong khoảng thời gian ngắn). Ƣu điểm của việc sử dụng sơ đồ này là ít phải thực hiện tính toán và có thể nhanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
30. 28 chóng đƣợc mã hoá. Hardman và Bolot đề nghị sử dụng cách mã hoá phân tích-tổng hợp tốc độ bít thấp chẳng hạn nhƣ LPC (2,4-5,6 kb/s) và mã hoá GSM toàn tốc (13kb/s). Nếu bộ mã hoá chính dùng bộ xử lý mạnh để cho ta chất lƣợng vừa phải và băng thông thấp thì bộ mã hoá phụ có thể sử dụng giống nhƣ bộ mã hoá chính. Một ví dụ của trƣờng hợp này là bộ mã hoá G.723.1 của hiệp hội viễn thông quốc tế ITU sử dụng một phần lớn sức mạnh tính toán của bộ xử lý cá nhân, nó cho ta độ rộng băng thông thấp (5,3/6,3 kb/s). Sử dụng FEC phụ thuộc vào môi trƣờng thì ta phải chịu một tiêu đề gói lớn. Trong ví dụ sử dụng 8 kHz PCM (64 kb/s) nhƣ là sơ đồ mã hoá chính và GSM (13 kb/s ) làm mã hoá phụ thì kết quả là kích thƣớc của gói dữ liệu sẽ tăng thêm 20%. Giống nhƣ sơ đồ FEC độc lập với môi trƣờng thì tiêu đề của FEC phụ thuộc vào môi trƣờng có thể thay đổi. Tuy nhiên, không giống nhƣ các giản đồ mã hoá khác, tiêu đề của gói tin trong FEC phụ thuộc vào môi trƣờng có thể giảm đi mà vẫn có thể phục hồi đƣợc gói bị mất nhƣng với mức chất lƣợng thấp hơn. Giảm tiêu đề gói đã đƣợc sử dụng cho các ứng dụng audio. Khác với nhiều công nghệ phía đầu gửi khác đã đƣợc thảo luận, sử dụng FEC phụ thuộc vào môi trƣờng có ƣu điểm là độ trễ thấp chỉ có độ trễ gói đơn đƣợc thêm vào. Điều này phù hợp cho các ứng dụng mang tính tƣơng tác. - Đan xen (Interleaving) Khi kích thƣớc của khối nhỏ hơn kích thƣớc của gói tin và trễ từ đầu cuối tới đầu cuối là không quan trọng, đan xen (interleaving) là kỹ thuật hữu ích cho việc giảm hiệu ứng mất gói. Trƣớc khi truyền các khối đƣợc sắp xếp lại. Các khối cạnh nhau đƣợc tách ra xa nhau với khoảng cách đảm bảo trong luồng đƣợc truyền dẫn và lập lại thứ tự các gói tin tại bên nhận. Đan xen làm giảm hiệu ứng mất gói. Nếu cho ví dụ các khối có chiều dài là 5ms và các gói chiều dài 20 ms (tức là 4 khối trong một gói) thì gói thứ nhất chứa các khối 1, 5, 9, 13; các khối của gói thứ hai là 2, 4, 6, 14. Thí dụ minh hoạ đƣợc thể hiện trên hình 1.6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Luồng ban đầu 1 5 9 13 2 6 10 14 3 7 11 15 4 8 12 16 Đan xen luồng 1 5 9 13 2 6 10 14 4 8 12 16 Mất gói 1 2 4 5 6 8 9 10 12 13 14 16 Khôi phục luồng Hình 1.6: Các khối được đan xen trong nhiều gói Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
31. 29 Khi xuất hiện mất một gói đơn từ dòng lƣu lƣợng đƣợc đan xen thì kết quả là tạo ra nhiều các khe nhỏ trong dòng dữ liệu khôi phục, khác với xuất hiện một khe lớn trong dòng dữ liệu không đan xen. Nhƣợc điểm của đan xen là nó làm tăng thêm độ trễ. Đây là giới hạn của sử dụng kỹ thuật cho các ứng dụng tƣơng tác. Bởi vậy nó thƣờng chỉ đƣợc sử dụng cho các ứng dụng không tƣơng tác. Ƣu điểm chính của đan xen là nó không yêu cầu dùng thêm băng thông cho dòng dữ liệu truyền. - Sự phát lại gói tin (Retransmission) Các ứng dụng audio tƣơng tác bị giới hạn độ trễ và yêu cầu trễ từ đầu cuối tới đầu cuối nhỏ hơn 250 ms. Đây là lý do không thể sử dụng việc truyền lại cho các gói bị mất. Nếu trễ từ đầu cuối tới đầu cuối nhỏ thì vẫn có thể chấp nhận đƣợc. Sơ đồ multicast tin cậy đƣợc phát triển rộng khắp dựa trên việc truyền lại các gói bị mất là SRM (Scaleble Reliable Multicast). Khi các phần tử của một SRM phát hiện ra mất gói, nó sẽ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên xác định bởi khoảng cách từ nguồn có dữ liệu bị mất và sau đó truyền đa hƣớng các yêu cầu sửa chữa. Trong khi các giao thức SRM và tƣơng tự sẽ phù hợp cho truyền đa hƣớng tin cậy của dữ liệu, chúng không phù hợp cho các luồng đa phƣơng tiện chẳng hạn nhƣ là audio. Điều này là bởi vì chúng không giới hạn trễ truyền dẫn và khắc phục gói bị mất có thể lấy một lƣợng bất kỳ của thời gian. Một số lƣợng lớn các giao thức truyền đa hƣớng tin cậy. Có rất nhiều các giao thức truyền đa hƣớng tin cậy đã đƣợc biết tới nhƣng mà không phù hợp cho luồng đa phƣơng tiện do đó sẽ không đƣợc nghiên cứu ở đây. Lý do tƣơng tự nhƣ vậy TCP là không phù hợp cho audio truyền đẫn đơn hƣớng. Nói nhƣ vậy không có nghĩa là các giản đồ truyền lại gói tin không đƣợc sử dụng cho luồng đa phƣơng tiện, Các giao thức có thể đƣợc sử dụng để truyền dẫn lại nhƣng giới hạn cho phép yêu cầu truyền lại cho một khối dữ liệu. Giản đồ truyền dẫn lại làm việc tốt khi tỉ lệ mất gói là tƣơng đối nhỏ. Khi tỉ lệ mất gói tăng lên thì yêu cầu truyền dẫn lại gói tin tăng lên. Việc truyền đẫn lại một khối tín hiệu audio không cần thiết phải truyền dẫn gói tin nguồn mà khối có thể mã hoá lại với băng thông nhỏ hơn. Có sự tƣơng đồng về truyền lại và truyền thêm thông tin dƣ thừa và một giao thức có thể có cả truyền dẫn lại và truyền dẫn dƣ thừa thông tin. Điều này cho phép bên nhận không tham gia vào việc xử lý các gói tin truyền lại nếu trễ xuất hiện là lớn. Các kỹ thuật sửa lỗi phía người nhận (Receiver-based repair) Chúng ta có một số kỹ thuật để che giấu lỗi có thể sử dụng tại bên nhận của dòng audio và không yêu cầu sự giúp đỡ từ bên gửi. Kỹ thuật này sử dụng khi sơ đồ phục hồi ở bên gửi thất bại trong hiệu chỉnh tất cả các lỗi hoặc khi bên gửi của dòng dữ liệu không thể tham gia vào quá trình phục hồi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
32. 30 Sơ đồ che giấu lỗi dựa vào kết quả lặp lại gói tin bị lỗi trong luồng lƣu lƣợng truyền dẫn. Điều này có thể thực hiện đƣợc với tín hiệu âm thanh. Kỹ thuật này sử dụng cho luồng lƣu lƣợng có tỉ lệ mất gói nhỏ (<15%) và dùng cho các gói nhỏ (4-40 ms). Khi mà gói tin có độ dài lớn thì kĩ thuật này sẽ không áp dụng đƣợc vì nó gây lỗi ở phía ngƣời nghe. Phân loại kỹ thuật phục hồi phía nhận đƣợc thể hiện trong hình 1.7. Các kỹ thuật này đƣợc phân làm 3 loại: Sửa lỗi dựa trên đầu thu Chèn Nội suy Phục hồi Nối Thay thế Mô phỏng Nội suy trạng Khôi phục gói thái phát dựa trên mô hình Thay thế Tái tạo cƣờng độ Cải thiện thang bƣớc sóng bƣớc sóng thời gian Hình 1.7: Phân loại các kỹ thuật che dấu lỗi Chèn: Sửa chữa trên cơ sở chèn (Insertion-Based) đƣợc thực hiện chèn bằng cách chèn các gói lấp đầy vào các vị trí gói mất. Các gói đƣợc sử dụng để chèn có thể là khoảng lặng, tiếng ồn hoặc gói nhận đƣợc trƣớc đó. Với kỹ thuật lặp sẽ thay thế các gói bị mất bằng các gói ngay trƣớc gói đó. Nó có độ phức tạp thấp và thực hiện dễ dàng. Trong một số trƣờng hợp phƣơng pháp này có thể cho kết quả tốt. Nội suy: Phƣơng pháp này sử dụng một vài dạng tính toán và nội suy để đƣa ra đƣợc gói tin tƣơng tự nhƣ gói bị mất. Các kỹ thuật này gặp nhiều khó khăn trong thực hiện và yêu cầu tính toán nhiều so với sơ đồ chèn. Tái tạo lại: Máy thu sẽ tìm cách tái tạo lại gói tin bị mất từ các gói tin nhận đƣợc. Cách này cũng khó thực hiện nhƣng nó có thể cho kết quả tốt. 1.3.6 Các lớp dịch vụ Dƣới đây là bảng phân ra một số loại ứng dụng phổ biến cũng nhƣ các yêu cầu tài nguyên của chúng. Bảng 1.2: Các ứng dụng và yêu cầu về chất lượng dịch vụ STT Tên ứng dụng Mất gói Băng thông Nhậy cảm với trễ và jitter 1 Truyền file Không mất gói Không đòi hỏi cố định Không FTP 2 E-mail Không mất gói Không đòi hỏi cố định Không 3 WEB Không mất gói Không đòi hỏi cố định Không Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
33. 31 4 Âm thanh hình Có thể mất gói Đòi hỏi cố định Có, khoảng 100ms ảnh thời gian ở một mức Âm thanh: từ vài Kb thực nhất định đến 1Mb Hình ảnh: từ 10Kb đến 8Mb 5 Âm thanh hình Có thể mất gói Đòi hỏi cố định Có, khoảng vài ảnh đƣợc lƣu ở một mức Âm thanh: từ vài Kb giây trƣớc nhất định đến 1Mb Hình ảnh: từ 10Kb đến 8Mb 6 Game tƣơng Có thể mất gói Có, khoảng 100ms tác ở một mức nhất định 7 Ứng dụng tài Không mất gói Không đòi hỏi cố định Đối với các loại chính giao dịch thì có. Đối với các trao đổi dữ liệu thì không Tất cả các ứng dụng đều yêu cầu một mức chất lƣợng dịch vụ nhất định, mỗi úng dụng đều có một số đặc tính cơ bản khác nhau. Để nhận biết các các yêu cầu chất lƣợng dịch vụ, hệ thống thƣờng nhận biết qua các lớp dịch vụ. Theo quan điểm của ITU-T, khuyến nghị I-1541 các lớp dịch vụ đƣợc chia thành các mức nhƣ trên bảng 1.3 dƣới đây: Bảng 1.3 : Các mức chất lượng dịch vụ Lớp QoS Các đặc tính QoS 0 Thời gian thực, nhậy cảm với jitter, tƣơng tác cao 1 Thời gian thực, nhậy cảm với jitter, tƣơng tác 2 Dữ liệu chuyển giao, tƣơng tác cao 3 Dữ liệu chuyển giao, tƣơng tác 4 Tổn hao thấp (chuyển giao ngắn, dữ liệu video) 5 Các ứng dụng nguyên thủy của IP Nhƣ vật tham số thời gian thực và tƣơng tác cao đƣợc đặt lên hành đầu đối với mạng IP, phần lớn các ứng dụng thực hiện tốt trong các mạng chuyển mạch hƣớng kết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
34. 32 nối (chuyển mạch kênh và ATM) đáp ứng tốt đƣợc các yêu cầu này. Trong khi mạng IP truyền thống không hỗ trợ QoS cho các dịch vụ thời gian thực. 1.4 Một số kỹ thuật hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ Phân loại-Nhận dạng luồng: Để cung cấp sự ƣu tiên cho một số luồng nhất định, thì luồng phải đƣợc nhận dạng và nếu cần còn phải đánh dấu. Hai nhiệm vụ này lại thƣờng liên quan đến việc phân loại luồng. Khi gói đƣợc nhận dạng nhƣng không đƣợc đánh dấu, thì phân loại đƣợc gọi là trên cơ sở từng chặng. Đó là khi việc phân loại chỉ liên quan đến thiết bị chứa gói đó mà không đƣợc chuyển tới bộ định tuyến kế tiếp. Điều này xảy ra cùng với cơ chế xếp hàng theo yêu cầu (CQ) và xếp hàng ƣu tiên (PQ). Khi các gói đƣợc đánh dấu cho việc sử dụng trong toàn mạng, các bit ƣu tiên IP có thể đƣợc thết lập. Xếp hàng: Do bản chất cụm của lƣu lƣợng audio/video/data, thỉnh thoảng lƣu lƣợng vƣợt quá tốc độ của đƣờng truyền (hay băng thông), ở trƣờng hợp này thì bộ định tuyến sẽ phải làm gì? Một cách để các phần tử mạng giải quyết vấn đề tràn lƣu lƣợng là sử dụng thuật toán hàng đợi để sắp xếp lƣu lƣợng và sau đó xác định một số phƣơng pháp để ƣu tiên ở đầu ra hàng đợi. Một số cơ chế hàng đợi hiện nay là: Xếp hàng theo nguyên tắc vào trƣớc ra trƣớc (FIFO). - Xếp hàng ƣu tiên (PQ). - Xếp hàng theo yêu cầu (CQ). - Xếp hàng theo trọng số phù hợp (WFQ). - Xếp hàng theo tải trọng phụ thuộc vào lớp (CB-WFQ). Mỗi thuật toán xếp hàng đƣợc thiết kế để giải quyết các vấn đề lƣu lƣợng mạng cụ thể và có ảnh hƣởng đặc biệt lên chất lƣợng của mạng. Thuật toán xếp hàng có hiệu lực khi xảy ra tắc nghẽn. Nếu hàng đợi không tắc nghẽn, không cần phải xếp các gói trong hàng đợi mà phân phát trực tiếp các gói tới giao diện. Quản lý hàng đợi: Do các hàng đợi có kích thƣớc hữu hạn nên chúng có thể bị tràn khi ta chèn đầy lƣu lƣợng quá mức. Khi hàng đợi đầy, các gói tin đến sẽ không đƣợc xếp vào hàng đợi mà sẽ bị bỏ đi (thậm chí đó là các gói đó có độ ƣu tiên cao). Do đó các cơ chế quản lý hàng đợi cần thiết phải thực hiện hai việc sau: - Đảm bảo hàng đợi không đầy để còn có chỗ cho các gói có độ ƣu tiên cao. - Đƣa ra một số tiêu chuẩn cho phép loại bỏ các gói có độ ƣu tiên thấp trƣớc các gói có độ ƣu tiên cao. Tránh tắc nghẽn là một hình thức của quản lý hàng đợi. Kỹ thuật tránh tắc nghẽn giám sát tải trọng lƣu lƣợng trên mạng nhằm cố gắng tiên đoán trƣớc và tránh xảy ra nghẽn tại những nút cổ chai của mạng, điều này ngƣợc lại kỹ thuật quản lý tắc nghẽn, bởi vì kỹ thuật quản lý tắc nghẽn chỉ hoạt động sau khi tắc nghẽn xảy ra. Công cụ tránh tắc nghẽn cơ bản của Cisco là WRED . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
35. 33 Lập chính sách: Lập chính sách bao gồm các bƣớc sau: - Một vài lƣu lƣợng có thể đƣợc hạn chế tới một tốc độ cụ thể. - Những gói vƣợt quá mức quy định có thể bị huỷ hay đánh dấu đặc biệt. Các bƣớc trong việc định dạng lƣu lƣợng: - Lƣu lƣợng đƣợc hạn chế tới một tốc độ cụ thể đảm bảo phù hợp với các chính sách định ra cho nó. - Những gói vƣợt quá mức quy định sẽ đƣợc xếp vào hàng đợi chứ không bị huỷ hay đánh dấu giống nhƣ việc lập chính sách. Có thể sử dụng định dạng lƣu lƣợng để: - Kiểm soát việc sử dụng băng thông hiện có. - Thiết lập chính sách lƣu lƣợng. - Điều phối luồng lƣu lƣợng để tránh tắc nghẽn. Lập lịch: Lập lịch đặc trƣng về điều khiển thời gian của việc lƣu thoát gói khỏi mỗi hàng đợi. Lập lịch liên quan mật thiết tới hàng đợi-thƣờng tại giao diện đầu ra hƣớng tới router hoặc host tiếp theo, nhƣng cũng có thể là tại các điểm hàng đợi trong một router. Nhƣ vậy lập lịch có nhiệm vụ đơn giản là lôi các gói ra khỏi hàng đợi nhanh bằng khả năng kết nối có thể chuyển đƣợc. Bộ lập lịch tồn tại trong các router có kiến trúc CQS, mỗi giao diện có một tầng bộ lập lịch chia sẻ khả năng chứa của kết nối đầu ra giữa sự kết hợp các hàng đợi trong giao diện. Bộ lập lịch chủ yếu cƣỡng chế quyền ƣu tiên tƣơng đối, hạn chế trễ, hoặc băng thông chủ định giữa các lớp lƣu lƣợng khác nhau. Một bộ lập lịch có thể thiết lập băng thông khả dụng nhỏ nhất cho một lớp đặc biệt bằng cách đảm bảo rằng các gói đƣợc lấy ra khỏi hàng đợi có quan hệ với các lớp đó một cách thông thƣờng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
36. 34 Kết luận chƣơng Chƣơng I nói về tổng quan chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP. Trình bày khái niệm chất lƣợng dịch vụ, với các thông số, các nguyên tắc với những đặc tính kỹ thuật cơ chế của nó. Ngoài ra đề cập đến một số ứng dụng thực tế và phân tích các yêu cầu khác nhau của chúng về chất lƣợng dịch vụ. Ở các chƣơng sau sẽ trình bày chi tiết hơn những vấn đề trình trên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
37. 35 CHƢƠNG II: CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ Nhập đề: Sau khi kết thúc chƣơng I chúng ta đã có cái nhìn tổng quan về các yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP khi mà mạng phải hỗ trợ truyền tải cùng lúc nhiều lại dịch vụ khác nhau. Mỗi loại dịch vụ khác nhau đều có những đòi hỏi khác nhau về độ trễ, jitter, tỷ lệ mất gói và độ lƣu thoát. Trong chƣơng II chúng ta sẽ nghiên cứu về những phƣơng pháp kỹ thuật đƣợc cài đặt trên các bộ định tuyến, đây là nội dung quan trọng nhất để thể hiện trong các mô hình đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP. 2.1 Kỹ thuật đo lƣu lƣợng và mầu hóa lƣu lƣợng Để thực hiện việc hạn chế lƣu lƣợng, các bộ định tuyến thƣờng sử dụng kỹ thuật đo lƣu lƣợng nhằm xác định tốc độ dữ liệu đầu vào có phù hợp với tốc độ cam kết hay không. Các khối đo lƣu lƣợng thƣờng sử dụng mô hình toán gọi là góa rò token để xác định và hạn chế lƣu lƣợng. Mô hình gáo giò token gồm hai thành phần: Token mang ý nghĩa về số bit đƣợc đƣa vào mạng; góa giò là nơi lƣu trữ các token và độ sâu của gáo thể hiện kích thƣớc của gói. Có hai dạng đo lƣu lƣợng và màu hóa lƣu lƣợng: Đánh dấu ba mầu tốc độ đơn srTCM (single rate Three Color Marker) và đánh dấu ba mầu hai tốc độ trTCM (two rate Three Color Marker). 2.1.1 Đánh dấu ba mầu tốc độ đơn Kỹ thuật đánh dấu ba mầu tốc độ đơn đƣợc định nghĩa trong RFC 2696, srTCM dùng để đặt chính sách cho một luồng đơn tốc độ CIR. Nó đo tốc độ lƣu lƣợng dựa vào kết quả đánh dấu các gói theo ba mầu. Ba mầu là xanh đỏ vàng thể hiện tốc độ tƣơng thích tốc độ theo cấp độ giảm dần. srTCM có hai chế độ là chế độ mù mầu và chế độ rõ mầu. Chế độ mù mầu thì coi các gói đến không có mầu, còn chế độ rõ mầu thì các gói đến sẽ đƣợc quan tâm tới mầu đã đƣợc đánh dấu từ trƣớc. Mục đích của scTCM là đảm bảo tốc độ lƣu lƣợng trung bình dài hạn của ngƣời sử dụng trong tốc độ thông tin cam kết CIR. Khoảng thời gian dài hạn không tƣơng thích với khoảng thời gian áp dụng chính sách vì mục đích của chính sách là xác định các luồng lƣu lƣợng vi phạm các tốc độ thỏa thuận trƣớc và đánh dấu các gói tin để chuyển chúng đi. Do đó các gói tin sẽ chuyển đi ngay mà không lƣu lại ở bộ định tuyến một thời gian dài để chờ CIR đƣợc xác định dựa trên thời gian dài hạn. Vì vậy, áp dụng chính sách phải dựa trên một khoảng thời gian ngắn, sử dụng hai tham số CBS và CIR thay cho CIR. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
38. 36 Hình 2.1 dƣới đây chỉ ra khoảng thời gian CBS trong CIR của tốc độ lƣu lƣợng đầu vào đơn. . Thời gian Thời gian đo CIR Thời gian đo CBS Vị trí byte Hình 2.1: Khoảng thời gian đo CBS và CIR Đánh dấu 3 mầu tốc độ đơn srTCM gồm 2 kiểu gáo token, gáo token C và gáo token E nhƣ trên hình 2.2. Độ sâu gáo C là kích thƣớc bùng nổ cam kết CBS, gáo C đƣợc khởi tạo đầy với số token Tc=CBS. Độ sâu của gáo E là kích thƣớc bùng nổ quá hạn EBS. Gáo E cũng đƣợc khởi tạo đầy với số lƣợng Te+EBS. Cả hai bộ đếm token Tc và Te đƣợc cập nhật tại tốc độ CIR, ví dụ tại thời điểm 1/CIR giây. Gáo rò C Gáo rò E CBS EBS CIR/sec Thời gian 1/CIR sec Hình 2.2 (a): Gáo C và gáo E ở chế độ mù mầu Gói ra bị đánh dấu Gói vào không bị Tc =B So sánh B Te>=B Te<B B byte với Tc và Te Xanh Vàng Đỏ Hình 2.2 (b): srTCM ở chế độ mù mầu Thuật toán cập nhật của hai gáo nhƣ sau: Tại khoảng thời gian cập nhật, nếu gáo C không đầy (Tc<CBS) thì Tc sẽ tăng lên 1 (Tc:=Tc+1). Nếu gáo C đầy mà gáo E không đầy (Tc=CBS và Te<EBS) thì Tc không thay đổi và Te tăng lên1 (Te:=Te+1). Nếu cả hai gáo đầy thì không có gáo nào thay đổi trạng thái. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
39. 37 Hình 2.2 (b) chỉ ra phƣơng pháp hoạt động của chế độ mù mầu srTCM, một gói không đánh dấu có kích thƣớc B byte đến tại thời điểm t. Đầu tiên, bộ đếm so sánh kích thƣớc B với token hiện thời của gáo C (Tc), nếu gáo C đủ chỗ (B Tc) thì gói đƣợc đánh dấu mầu xanh, Tc sẽ giảm đi một lƣợng B (Tc:=Tc-B). Nếu không đủ chỗ trong C (B>Tc) bộ đếm kiểm tra gáo thứ 2 (gáo E), nếu gáo E còn đủ chỗ (B Te) gói sẽ đƣợc đánh dấu mầu vàng và Te:=Te-B. Khi đó gáo C không sử dụng nên Tc không thay đổi trạng thái. Cuối cùng, nếu gáo E cũng không đủ chỗ (B>Te), gói sẽ đƣợc đánh dấu mầu đỏ và cả Tc và Te không thay đổi trạng thái. Hình 2.3 thể hiện chế độ họat động rõ mầu của srTCM, nó tƣơng ứng nhƣ trong chế độ mù mầu. Các gói mầu xanh kích thƣớc B bytes đến tại thời điểm t. Vẫn giữ mầu xanh nếu Tc B và Tc:=Tc-B. Đƣợc đánh dấu mầu vàng nếu Tc B Te và Te:=Te-B. Đánh dấu mầu đỏ nếu Te =B Te>=B Te<B Đỏ Đỏ Đỏ Đỏ Vàng Vàng Vàng Đỏ Xanh Xanh Vàng Đỏ Hình 2.3: srTCM ở chế độ rõ mầu Các gói mầu vàng có thể giữ nguyên mầu vàng hoặc chuyển sang mầu đỏ và không thể chuyển sang mầu xanh. Các gói đỏ luôn giữ mầu đỏ và không bao giờ chuyển sang tới cấp độ mầu xanh hoặc vàng. 2.1.2 Đánh dấu ba mầu hai tốc độ Bộ đánh dấu 3 mầu hai tốc độ đƣợc định nghĩa bởi RFC 2698. trTCM sử dụng cho cả tốc độ thông tin đỉnh PIR và tốc độ thông tin cam kết. Giống nhƣ srTCM, trTCM có hai chế độ họat động: Chế độ mù mầu và chế độ rõ màu. Đánh dấu 3 mầu hai tốc độ đƣợc cấu hình bởi các chế độ hoạt động và các tham số PIR, CIR, PBS và CBS. Bộ đánh dấu 3 mầu hai tốc độ trTCM hoạt động với hai gáo rò: Gáo rò token C và gáo rò token P. Gáo rò token C đƣợc dùng để điều khiển CIR và góa rò token P điều khiển PIR.Gáo rò C trong trTCM tƣơng tự nhƣ trong srTCM, gáo rò P có độ sâu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
40. 38 cân bằng với kích thƣớc bùng nổ đỉnh PBS và đƣợc cập nhật tại tốc độ PIR (thí dụ tại thời điểm 1/PIR giây nhƣ trên hình 2.4(a)). Gáo rò C Gáo rò P CBS EBS CIR/sec PIR/sec Thời gian Thời gian 1/CIR sec 1/PIR sec Hình 2.4 (a): Gáo rò C và P trong trTCM Gói ra tô mầu Gói vào không tô mầu Tp>=B Tp =B Xanh Đỏ Hình 2.4 (b): trTCM ở chế độ mù mầu Chế độ hoạt động mù màu đƣợc mô tả trên hình 2.4(b). Giả thiết các gói không màu có kích thƣớc B đến tại thời điểm t. Gói tin kích thƣớc B sẽ so sánh với token trong gáo rò P. Nếu gáo rò P không đủ chỗ (B > Tp), gói tin sẽ đƣợc đánh dấu bằng màu đỏ bất kể C có đủ hay không. Nếu gáo P đủ chỗ (Tp ≥ B), gói kích thƣớc B đƣợc so sánh với bộ đếm token trong gáo C, Tc. Nếu (Tc ≥ B), gói đƣợc đánh dấu màu xanh và Tp:=Tp-B và Tc:=Tc-B. Nếu (Tc B. Nếu gói đã đƣợc đánh dấu màu xanh, nó đƣợc chuyển sang màu: Đỏ, nếu Tp<B Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
41. 39 Vàng, nếu Tc =B Mầu ban đầu Tp =B Tc<B Đỏ Đỏ Đỏ Đỏ Vàng Vàng Vàng Đỏ Xanh Xanh Vàng Đỏ Hình 2.5: Chế độ rõ mầu với trTCM 2.2 Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực Trong kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực gồm có 3 kiểu cơ bản: RED, WRED và ECN. Dƣới đây, chúng ta xem xét chi tiết các kiểu hàng đợi này. 2.2.1 Kỹ thuật loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm RED RED phát hiện nguy cơ tắc nghẽn và loại bỏ gói ngẫu nhiên từ bộ đệm. Hình 2.6 thể hiện sơ đồ nguyên lý hoạt động của kỹ thuật loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm. Nhƣ chỉ ra trên hình, phần quan trọng nhất của RED là dự đoán tắc nghẽn và hồ sơ loại bỏ gói. % bộ đệm đầy Khối dự đoán α Hồ sơ loại bỏ tắc nghẽn gói Xác suất loại gói Chiều dài p hàng đợi tức thời N Bộ loại bỏ gói Các gói vào X X Chiều dài hàng đợi N Kích thước bộ đệm B X X Gói loại bỏ ngẫu nhiên Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED Chức năng của khối dự đoán tắc nghẽn là đánh giá lƣu lƣợng trong bộ đệm theo thời gian và phát hiện khả năng tắc nghẽn. Tiếp cận đơn giản nhất là dựa vào chiều dài hàng đợi (N) và xác định trạng thái tắc nghẽn dựa trên cơ sở hàng đợi đầy (so sánh với kích thƣớc bộ đệm (B)). Một phƣơng pháp khác sử dụng để dự đoán tắc nghẽn là dựa trên thuật toán tính toán thời gian trung bình của hàng đợi, đầu ra của khối dự đoán tắc nghẽn là chiều dài hàng đợi trung bình trọng số (nN). Mặc dù nó phản ánh độ dài hàng đợi hiện thời, nhƣng (nN) không phải là chiều dài hàng đợi thực tế mà là phép đo cho hiện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
42. 40 tƣợng tắc nghẽn. Gọi α là phần trăm (%) bộ đệm sử dụng đƣợc tính theo công thức sau: n N Công thức (2.1) B Trong đó, B là kích thƣớc bộ đệm Hồ sơ loại bỏ gói là một phƣơng pháp tham chiếu giữa % bộ đệm đầy và xác suất loại bỏ gói, khi α đạt một giá trị nào đó thì RED đƣợc kích hoạt, khi α đạt giá trị lớn nhất (<100%) thì xác suất loại bỏ gói bằng 1. Cơ chế loại bỏ gói chuyển sang theo phƣơng pháp cắt đuôi lƣu lƣợng. Xác suất loại bỏ gói 1 % bộ đệm đầy % bộ đệm 100% α min hiện thời α max 0% RED kích hoạt RED Kết thúc và loại bỏ đuôi Hình 2.7: Hồ sơ RED 2.2.2 Kỹ thuật loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED Kỹ thuật loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED là kỹ thuật loại bỏ gói sớm RED với nhiều hồ sơ loại bỏ gói. Thay vì sử dụng một hồ sơ loại bỏ gói cho tất cả các hàng đợi, WRED sử dụng nhiều hồ sơ loại bỏ gói cho một hàng đợi (Ví dụ, 3 hồ sơ loại bỏ gói khác nhau có thể sử dụng cho 3 màu của các gói). 2.2.3 Thông báo tắc nghẽn hiện ECN Phƣơng pháp thông báo tắc nghẽn hiện ECN đƣợc ứng dụng cho các lƣu lƣợng TCP, ECN đƣợc đề xuất từ năm 1999 trong RFC 2481 nhƣ là một bổ sung trong kiến trúc IP. Hình vẽ 2.8 dƣới đây chỉ ra phƣơng pháp ECN. Trong ECN, tắc nghẽn đƣợc thông tin tới các hệ thống kết cuối bằng cách đánh dấu trong trƣờng hợp chức năng đặc biệt của tiêu đề IP và TCP với các chỉ thị tắc nghẽn thay vì loại bỏ gói. Một thuật toán tƣơng tự nhƣ trong kỹ thuật loại bỏ gói sớm đƣợc thực hiện để chỉ ra ngƣỡng và thời điểm thông báo tắc nghẽn. ECN yêu cầu đánh dấu trên cả hai tiêu để IP và TCP. ECN sử dụng hai bit dự phòng trong tiêu đề TCP và hai bit dự phòng trong tiêu đề IP. Hai bit dự phòng cuối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
43. 41 cùng trong 8 bit của trƣờng kiểu dịch vụ ToS trong tiêu đề IPv4 và 8 bit trƣờng phân lớp lƣu lƣợng trong IPv6 sử dụng để đánh dấu ECN. Thuật toán RED Xác suất loại gói p Chiều dài hàng đợi tức thời N ECN Các gói vào X X X Chiều dài hàng đợi N X Gói ngẫu nhiên với chỉ thị tắc nghẽn Hình 2.8: Khái niệm ECN 2.3 Lập lịch gói Lập lịch gói điều khiển đặc trƣng thời gian của việc lƣu thoát gói khỏi mỗi hàng đợi - thƣờng tại giao diện đầu ra hƣớng tới router hoặc host tiếp theo, nhƣng cũng có thể là tại các điểm hàng đợi trong một router. Các router truyền thống chỉ có một hàng đợi đơn trên một giao diện kết nối đầu ra. Nhƣ vậy lập lịch có nhiệm vụ đơn giản là chuyển các gói ra khỏi hàng đợi nhanh bằng khả năng kết nối có thể chuyển đƣợc. Các hàng đợi Cổng ra 1 Cổng vào 1 Đường ra . Phân loại . gói . Lập lịch gói . . . . . . Các hàng đợi Cổng ra m Cổng vào n . . Đường ra . Phân loại gói Lập lịch gói Hình 2.9: Biểu đồ khái niệm của Lập lịch gói Hình 2.9 là sơ đồ khái niệm của lập lịch gói. Lập lịch gói đƣợc áp dụng cho mỗi đầu ra cơ sở, các gói đi đến các cổng vào (từ 1 đến n) trƣớc tiên đƣợc định tuyến đến các cổng ra (từ 1 đến m) dựa vào bảng định tuyến của router. Với mỗi cổng ra, các gói đƣợc phân loại gói và đƣợc xếp hàng trên các hàng đợi trƣớc khi đi qua bộ lập lịch gói. Dƣới đây là một số phƣơng pháp lập lịch gói phổ biến sẽ đƣợc đề cập: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
44. 42 - Vào trƣớc ra trƣớc (First-in-first-out FIFO). - Hàng đợi ƣu tiên (Priority queuing PQ). - Hàng đợi công bằng (Fair-queuing FQ). - Vòng tròn trọng số Robin (Weighted Round Robin WRR). - Hàng đợi công bằng có trọng số (Weight Fair Queuing WFQ). - WFQ dựa trên lớp (CBWFQ). 2.3.1 FIFO FIFO đƣợc trình bày trong hình 2.10. FIFO là kỹ thuật mặc định khi không có mặt thuật toán lập lịch gói đặc biệt nào. Với FIFO, các gói đƣợc xếp hàng trong một hàng đợi đơn theo thứ tự đến của chúng và đƣợc gửi đi trên các liên kết ra theo cùng trình tự trong hàng đợi của chúng. Từ việc gói đến trƣớc là gói đƣợc phục vụ trƣớc, hàng đợi FIFO cũng đƣợc biêt đến là hàng đợi đến trƣớc phục vụ trƣớc. Các luồng vào Lập lịch gói Hàng đợi FIFO Cổng ra Phân loại gói IP Router Hình 2.10: FIFO Ƣu điểm lớn nhất của FIFO là sự đơn giản. Không thuật toán đặc biệt nào cần thiết để cài đặt FIFO. Nó chỉ cần một bộ đệm có thể lƣu các gói đến khi chúng đến và gửi đi theo cùng một trình tự. FIFO đối xử công bằng với tất cả các gói, theo đó nó thích hợp nhất với các mạng best effort. Nhƣợc điểm lớn nhất của FIFO là nó không phân biệt (hay có khả năng phân biệt rất hạn chế) các lớp lƣu lƣợng. Bởi vì FIFO không cung cấp sự phân biệt các lớp, tất cả các luồng lƣu lƣợng đều chịu mức tắc nghẽn nhƣ nhau 2.3.2 Hàng đợi ưu tiên PQ FIFO đặt tất cả các gói trong một hàng đợi đơn mà không quan tâm đến sự phân biệt các lớp lƣu lƣợng. Một cách đơn giản để phân chia các lớp là sử dụng hàng đợi ƣu tiên. Trong phƣơng pháp PQ, N hàng đợi đƣợc tạo ra nhƣ trong hình 2.11 với thứ tự ƣu tiên xếp từ 1 đến N. Thứ tự sắp xếp đƣợc xác định bởi thứ tự ƣu tiên và nhờ đó có các gói trong các hàng đợi ƣu tiên cao hơn. Các gói trong hàng đợi thứ j đƣợc xử lý chỉ khi không có gói nào trong bất kỳ 1 hàng đợi nào có ƣu tiên cao hơn, cụ thể các hàng đợi từ 1 đến j-1. Ví dụ, nếu 1 gói đến bất kỳ hàng đợi nào ở trên hàng j, ví dụ hàng j-3, trong khi đó bộ sắp xếp đang ở hàng j, bộ sắp xếp nhảy tới hàng j-3, cụ thể, không có thứ tự nào thiết lập trƣớc nhƣ thứ tự vòng quay robin sử dụng trong các kỹ thuật lên lịch gói khác đƣợc thảo luận sau đây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
45. 43 Các hàng đợi Ưu tiên 1 Các luồng vào Ưu tiên 2 Cổng ra Phân loại gói . . Ưu tiên N . Lập lịch gói IP Router Hình 2.11: Hàng đợi ưu tiên (PQ) Nhƣ trong FIFO, ƣu điểm cơ bản của PQ là sự đơn giản của nó: nó cung cấp một định nghĩa đơn giản để tạo ra sự phân chia các lớp lƣu lƣợng. Nhƣợc điểm cơ bản của PQ là PQ có thể gây ra hiện tƣợng đƣợc gọi là sự “thiếu đói” của các hàng đợi có ƣu tiên thấp. Nhƣ tên gọi của hiện tƣợng đã gợi ý, nếu các hàng đợi có ƣu tiên cao hơn luôn có các gói đƣợc xử lý, thì các hàng đợi có ƣu tiên thấp có thể không bao giờ có cơ hội để gửi gói đi: các hàng đợi ƣu tiên thấp có thể bị hoàn toàn mất khả năng truy nhập tới băng thông của các cổng ra. Vì nguy cơ của vấn đề thiếu đói, phải cẩn thận khi áp dụng PQ. PQ đặc biệt phù hợp nếu các lƣu lƣợng ƣu tiên cao chỉ chiếm một phần nhỏ trong toàn bộ lƣu lƣợng của các hàng đợi. PQ thích hợp cho việc tạo ra các hàng đợi chuyên dụng cho các lƣu lƣợng thời gian thực, nhƣ thoại và video qua IP bởi PQ luôn cố gắng đạt đƣợc chất lƣợng nhƣ các mạng chuyển mạch kênh. Lƣu lƣợng thời gian thực nhƣ thoại và video thông thƣờng sử dụng UDP. Việc sử dụng PQ cho lƣu lƣợng TCP là không hợp lý bởi vì đặc tính của TCP khi xảy ra tắc nghẽn sẽ thực hiện truyền lại nen có thể làm nghiêm trọng hơn vấn đề “thiếu đói” cho các lƣu lƣợng khác trong các hàng đợi khác. 2.3.3 Hàng đợi công bằng FQ Một phƣơng pháp hàng đợi khác đƣa ra đối với việc phân chia các lớp lƣu lƣợng là hàng đợi công bằng FQ, hay còn biết đến nhƣ là xếp hàng dựa trên luồng lƣu lƣợng. Với hàng đợi FQ, các gói đến đƣợc phân loại vào N hàng đợi. Mỗi hàng đợi đƣợc chỉ định 1/N băng thông của cổng ra. Bộ lập lịch ghé thăm các hàng đợi tùy thuộc vào việc bỏ qua các hàng đợi rỗng của trình tự vòng quay robin. Mỗi khi bộ lập lịch ghé thăm một hàng đợi, một gói của hàng đợi đó đƣợc chuyển đi. Hàng đợi FQ đơn giản. Nó không yêu cầu 1 kỹ thuật phân phát băng thông riêng biệt. Nếu một hàng đợi mới đƣợc thêm vào N hàng đã có sẵn để tạo ra một lớp lƣu lƣợng mới, bộ lập lịch tự động điều chỉnh băng thông cho mỗi hàng đợi thành 1/(N+1) băng thông của cổng ra. Tính đơn giản này là ƣu điểm cơ bản của FQ. Hàng đợi FQ có hai nhƣợc điểm chính. Đầu tiên, khi băng thông của cổng ra đƣợc chia đều cho N hàng đợi thành 1/N, nếu các lớp lƣu lƣợng đến có yêu cầu băng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
46. 44 thông khác nhau, hàng đợi FQ sẽ không thể phân phối băng thông của cổng ra cho các luồng đến tùy theo yêu cầu băng thông của chúng đƣợc. Thứ hai, khi toàn bộ một gói đƣợc chuyển đi mỗi khi bộ lập lịch ghé thăm một hàng đợi không cần quan tâm đến kích thƣớc gói tin, kích thƣớc gói tin sẽ tác động đến sự phân phối băng thông thực tế giữa các hàng đợi mặc dù mỗi hàng đợi đƣợc chia đều là 1/N. Ví dụ, nếu 1 hàng đợi cụ thể phục vụ các gói có kích thƣớc lớn hơn các hàng đợi khác, hàng đợi đó sẽ chiếm lấy nhiều hơn 1/N băng thông đƣợc chia sẻ của cổng ra. Điều này đƣợc minh họa trong hình 2.12. Phân bố đều băng thông Phân bố không đều băng thông 50% 50% 50% 50% Hình 2.12: Ảnh hưởng của kích thước gói với phân bố băng thông 2.3.4 Vòng quay trọng số Robin (WRR) Hàng đợi WRR đƣa ra để giải quyết vấn đề thứ nhất trong hai nhƣợc điểm của FQ đã đƣợc thảo luận trong phần 2.3.3, đó là FQ không có khả năng phân phối băng thông đầu ra cho các lớp lƣu lƣợng đến tùy theo yêu cầu của chúng. Hàng đợi WRR chia băng thông đầu ra cho các lớp lƣu lƣợng đến tùy theo yêu cầu băng thông của chúng. Hàng đợi WRR cũng đƣợc biết đến nhƣ hàng đợi dựa trên lớp hay hàng đợi điều chỉnh. Hình 2.13 trình bày về WRR. Đầu tiên, các luồng lƣu lƣợng đến đƣợc phân nhóm vào m lớp và băng thông cổng ra đƣợc phân bố cho m lớp tùy theo trọng số thích hợp đƣợc xác định bởi yêu cầu băng thông của m lớp. Trọng số có thể nâng lên tới 100%: Số lượng các hàng đợi FQ Thứ tự Các luồng Lớp 1 Round Roubin gói vào N1 . W1 . Lớp i . Lập lịch gói Cổng ra Phân loại Ni gói . Wi . . Lớp m Nm Wm IP Router Hình 2.13: WRR Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
47. 45 m Wi = 100% (Công thức 2-2) i 1 Trong đó m là số lớp lƣu lƣợng và Wi là phần trăm trọng số của lớp i. Trong mỗi lớp, các luồng riêng biệt đƣợc sắp xếp bởi FQ. Ni biểu hiện số lƣợng FQ trong lớp i, tổng số FQ trong trình tự WRR đƣợc đƣa ra trong công thức sau đây: m WRR =  Ni (Công thức 2-3) i 1 trong đó m là tổng số lớp lƣu lƣợng. Nhƣ trình bày trong hình 2.13, hàng đợi WRR bao gồm 2 lớp lập lịch vòng quay robin. Đầu tiên, các lớp 1 đến m đƣợc ghé thăm bởi bộ lập lịch trong trình tự vòng quay robin. Hay ta còn coi chúng là tầng vòng quay robin đầu tiên. Khi bộ lập lịch làm việc với một lớp cụ thể, hàng đợi FQ của lớp đó đƣợc ghé thăm bởi bộ lập lịch trong trình tự vòng quay robin, đó là tầng vòng quay robin thứ hai. Phần trăm băng thông cổng ra đƣợc phân cho lớp i, cụ thể là trọng số cho lớp i, Wi, có thể thực hiện bởi việc chỉ rõ lƣợng thời gian đƣợc sử dụng của bộ sắp lịch với lớp i. Ví dụ, giả sử là lớp i đƣợc cho 20% băng thông của cổng ra, cụ thể Wi =20%,. Bộ xếp lịch phải sử dụng 20% thời gian trong khi tầng vòng quay robin đầu tiên quay vòng với lớp i. Trong khi bộ xếp lịch làm việc với lớp i, nó sử dụng 1 lƣợng cân bằng thời gian với mỗi hàng đợi trong số Ni hàng đợi FQ, cụ thể là 1/Ni. Vì vậy, trọng số đƣợc cấp phát cho mỗi hàng đợi FQ riêng biệt trong lớp i là: Wij = Wi *(1/Ni) (Công thức 2-4) trong đó Wi là trọng số của lớp i, Ni là số hàng đợi FQ trong lớp i, và Wij là trọng số của hàng đợi thứ j trong lớp i. Công thức trên có thể đƣợc viết là : Wij = Wi * wij (Công thức 2-5) trong đó wij là phần trăm phân phối (trọng số) băng thông của lớp i cho hàng đợi thứ j trong lớp i, và hàng đợi FQ phân cho các hàng đợi 1 trọng số bằng nhau: wij = 1/Ni (Công thức 2-6) Và công thức sau cũng đúng: N i W = (Công thức 2-7) i w ii i 1 Bằng việc sử dụng các Wi, hơn là sự chia đều 1/m, hàng đợi WRR có thể tạo ra m lớp lƣu lƣợng với nhu cầu băng thông cổng ra khác nhau, nhờ đó khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của hàng đợi FQ đã thảo luận trong phần 2.3.3. 2.3.5 Hàng đợi công bằng có trọng số WFQ WRR đã giải quyết nhƣợc điểm thứ nhất của FQ, nhƣng WRR không giải quyết đƣợc nhƣợc điểm thứ hai của FQ, đó là ảnh hƣởng của kích thƣớc gói tới băng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
48. 46 thông chia sẻ, vì WRR sử dụng hàng đợi FQ bên trong các lớp. Phƣơng pháp hàng đợi công bằng có trọng số WFQ chú tâm vào nhƣợc điểm này của FQ. Trong hàng đợi WFQ, cũng giống nhƣ FQ, các luồng lƣu lƣợng vào đƣợc nhóm vào m hàng đợi; tuy nhiên, băng thông của cổng ra bị phân phối tới m hàng đợi tùy thuộc vào trọng số thích hợp đƣợc xác định bởi yêu cầu băng thông của m lớp thay vì chia đều, và trọng số có thể lên tới 100%: m Wi 100% (Công thức 2-8) i 1 trong đó m là số lớp lƣu lƣợng trong hàng đợi WFQ và Wi là phần trăm trọng số của lớp i. Trong phƣơng pháp hàng đợi FQ, mỗi hàng đợi gửi đi trọn vẹn một gói tin khi bộ lập lịch ghé thăm. Trong phƣơng pháp hàng đợi WFQ, bộ lập lịch gửi đi các gói từ các hàng đợi dựa trên cơ sở thứ tự đã đƣợc tính toán thời gian hoàn tất gói. Hàng đợi WFQ cố gắng làm gần đúng một mô hình lý thuyết biết đến nhƣ bộ lập lịch vòng quay robin trọng số theo bit (weighted bit-by-bit) đƣợc trình bầy trong hình 2.14. Các luồng Các hàng đợi gói vào Gói 1 Bít cuối cùng gói j Lập lịch gói Cổng ra Bộ ghép Phân loại Gói 2 gói gói Bít cuối Bít cuối cùng cùng gói M gói 1 Gói M IP Router Hình 2.14: Vòng quay Robin trọng số theo từng bít Các luồng Các hàng đợi gói vào . . . . . . Lập lịch gói Ứớc lượng Cổng ra thời gian kết . . . Phân loại thúc gói gói Pij . . . . . . IP Router Hình 2.15: WFQ Nhƣ đã trình bày trong hình vẽ, bộ lập lịch vòng quay robin trọng số theo bit ghé thăm các hàng đợi trong thứ tự vòng quay Robin; tuy nhiên, mỗi lần ghé thăm, bộ lên lịch chỉ lấy đi từ hàng đợi 1 bit; bộ ghép gói sẽ thu thập tất cả các bit của 1 gói, khi gói đã đƣợc ghép lại, nó sẽ đƣợc gửi đi. Do đó, 1 gói có kích thƣớc lớn phải đợi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
49. 47 lâu hơn để đƣợc ghép lại. Bộ lập lịch bit-by-bit này chỉ là 1 mô hình lý thuyết và nó không thực tế. Hình 2.15 mô tả về hàng đợi WFQ. Hàng đợi WFQ tính toán thời gian kết thúc của các gói và gửi chúng tới cổng ra theo thứ tự thời gian hoàn thành đã đƣợc tính toán bởi bộ lập lịch. 2.3.6 Hàng đợi công bằng có trọng số dựa trên cơ sở lớp (CB WFQ) Hình 2.16 trình bày về hàng đợi công bằng có trọng số dựa trên cơ sở lớp CB WFQ. Trong hàng đợi CB WFQ, cũng nhƣ trong WRR, các luồng lƣu lƣợng vào đƣợc nhóm vào m lớp và băng thông cổng ra đƣợc phân phối tới m lớp tùy thuộc vào trọng số thích hợp đƣợc xác định bởi yêu cầu băng thông của m lớp, trong đó trọng số có thể tăng đến 100%: m Wi 100% (Công thức 2-9) i 1 trong đó m là số lớp lƣu lƣợng và Wi là phần trăm trọng số của lớp i. Theo điểm này, hàng đợi CBWFQ và WRR là nhƣ nhau. Sự khác nhau là ở trong mỗi lớp. Với hàng đợi CB WFQ, trong một lớp, các luồng riêng biệt đƣợc lên lịch bởi hàng đợi WFQ, trong khi đó với hàng đợi WRR, chúng đƣợc lên lịch bởi hàng đợi FQ. Số luợng hàng đợi WFP Thứ tự Các luồng Lớp 1 Round Roubin gói vào N1 . W1 . Lớp i . Lập lịch gói Cổng ra Phân loại Ni gói . Wi . . Lớp m Nm Wm IP Router Hình 2.16: CB WFQ Biểu thị số hàng đợi WFQ trong lớp i là Ni, tổng số hàng đợi WFQ trong hàng đợi CB WFQ đƣợc tính theo công thức sau: m Tổng số hàng đợi FQ trong hàng đợi CB WFQ =  Ni (Công thức 2-10) i 1 trong đó m là tổng só lớp lƣu lƣợng. Băng thông cấp cho lớp i đƣợc phân phối giữa Ni hàng đợi trong lớp i tùy thuộc vào trọng số thích hợp, wij. Trọng số cấp cho hàng đợi WFQ j trong lớp i đƣợc cho bởi công thức: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
50. 48 Wij = Wi * wij (Công thức 2-11) trong đó Wi - là phần trăm phân phối (trọng số) băng thông cổng ra cho lớp i wij – là phầm trăm phân phối (trọng số) băng thông lớp i cho hàng đợi thứ j trong lớp i Wij – là phần trăm phân phối băng thông cổng ra cho hàng đợi thứ j trong lớp i Ni – tổng số hàng đợi trong lớp i m – số lƣợng lớp Tống của các trọng số (của cổng ra chia sẻ) của các hàng đợi trong 1 lớp bằng trọng số (của cổng ra chia sẻ) của lớp đó: Ni Wi = Wij (Công thức 2-12) j 1 2.4 Trafic Shaping Traffic shaping là thay đổi tốc độ luồng lƣu lƣợng đến để điều chỉnh tốc độ theo cách mà luồng lƣu lƣợng ra chuyển tiếp trôi chảy hơn. Nếu lƣu lƣợng đến tăng cao đột ngột, nó cần đƣợc đƣa vào bộ đềm và nhƣ thế đầu ra bộ đệm sẽ bớt tăng đột ngột và êm ả hơn. Theo cách này, traffic shaping tạo ra luồng lƣu lƣợng hoạt động nhƣ 1 profile lƣu lƣợng đã xác định trƣớc, ví dụ 1 SLA. Traffic shaping giống nhƣ là việc lái xe xuyên thẳng “stop and go”, ví dụ, đƣờng hầm Lincoln tới Manhattan. Ngƣời tài xế đƣợc yêu cầu trƣớc tiên dừng lại trong giây lát tại lối vào đƣờng hầm và đi với 1 tốc độ cố định là 30 dặm 1 giờ. Traffic shaping sẽ đƣa vào một độ trễ thông qua bộ đệm. Có 2 loại bộ định dạng lƣu lƣợng: bộ định dạng lƣu lƣợng thƣờng và bộ định dạng lƣu lƣợng dùng thẻ bài. Trƣờng hợp sau đôi khi đƣợc biết tới nhƣ bộ định dạng lƣu lƣợng gáo rò. 2.4.1 Bộ định dạng lưu lượng thường Hình 2.17 trình bày bộ định dạng lƣu lƣợng thƣờng. Các gói đến đƣợc đặt vào một bộ đệm, hay một “cái gáo”, có độ sâu là d, và đƣợc gửi đi theo đƣờng liên kết ra theo một tốc độ cố định. Tốc độ cố định này còn gọi là tốc độ “rò”, r. Bộ định dạng lƣu lƣợng thƣờng không cho phép bùng nổ ở dòng lƣu lƣợng ra. Thông thƣờng, tốc độ rò, r, nhỏ hơn nhiều so với tốc độ của liên kết, C. Tuy nhiên, với bộ định dạng lƣu lƣợng thƣờng, tốc độ rò r thay thế giới hạn trên của tốc độ đi ra của luồng lƣu lƣợng, bởi vì nó không cho phép bùng nổ ở liên kết ra. Nếu mức bùng nổ vƣợt quá chiều sâu của “gáo”, d, các luồng gói tràn sẽ bị hủy. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
51. 49 Gói vào bùng nổ Độ sâu gáo d Tốc độ rò, r Tốc độ gói ra, r Tốc độ đường ra, C Hình 2.17: Bộ định dạng lưu lượng thường 2.4.2 Bộ định dạng lưu lượng gáo rò Hình 2.18 trình bày bộ định dạng lƣu lƣợng gáo rò. Bộ định dạng lƣu lƣợng gáo rò sử dụng một gáo chứa các thẻ bài, tƣơng tự nhƣ gáo C đƣợc sử dụng cho việc kiểm soát CIR trong srTCM và trTCM. Các thẻ bài đƣợc đặt vào gáo thẻ bài với một tốc độ cố định gọi là tốc độ thẻ bài r. Tốc độ thẻ bài r tƣơng tự nhƣ CIR. Gáo thẻ bài có một kích thƣớc giới hạn gọi là độ sâu của gáo d. Độ sâu gáo tƣơng tự nhƣ kích thƣớc của gói C, CBS. Nếu gói thẻ bài bị đầy, không có thẻ bài nào đƣợc đặt vào gáo. Mỗi thẻ bài cho phép bộ đệm lƣu lƣợng đến gửi đi một byte của gói. Khi không có gói nào trong bộ đệm để gửi đi, đáy của gáo thẻ bài đƣợc đóng lại và không có thể bài nào đƣợc phát ra. Khi có các gói trong bộ đệm, các thẻ bài đƣợc thu hồi với tốc độ liên kết ra C, và do đó các gói đƣợc “đi ra” ở liên kết ra. Nếu gáo thẻ bài đƣợc xả ra hoàn toàn không để lại thẻ bài nào, các gói trong bộ đệm phải đợi các thẻ bài đƣợc đặt lại vào gáo. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
52. 50 Tốc độ thẻ bài, r Độ sâu gáo d Tốc độ rò, C Các gói vào Thẻ sẵn sàng Tốc độ đường, C Kích thước bộ đệm, B Tràn bộ đệm Hình 2.18: Gáo rò token traffic shaper Kết quả của hoạt động này là các gói bật ra đƣợc cho phép chiếm liên kết ra với tốc độ liên kết C. Kích cỡ bùng nổ bị giới hạn bởi độ sâu của gáo d. Khi các thẻ bài đƣợc đƣa vào trong gáo với tốc độ thẻ bài là r, tốc độ trung bình của chu kỳ lâu dài của các gói trên liên kết ra sẽ là r. Do đó, bộ định dạng lƣu lƣợng gáo rò làm việc chính xác nhƣ gáo C của srTCM và trTCM không kể đến việc gáo rò đƣợc áp dụng ở cổng ra trong khi đó gáo C đƣợc áp dụng ở cổng vào. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
53. 51 Kết luận chƣơng Chƣơng II tập trung vào các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP. Từ các đặc điểm cơ bản của chất lƣợng dịch vụ IP, các yêu cầu QoS IP đã đƣợc thể hiện qua mô hình định tuyến dƣới khía cạnh khối chức năng cơ bản. Các giải pháp kỹ thuật nhƣ phân lớp dịch vụ, chính sách loại bỏ gói, lập lịch và chia cắt lƣu lƣợng đƣợc trình bầy dựa trên mô hình chức năng bộ định tuyến IP. Các kỹ thuật này sẽ đƣợc áp dụng trong các mô hình thực tế triển khai QOS đó là IntServ và DiffServ sẽ đƣợc trình bầy dƣới đây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
54. 52 CHƢƠNG 3: CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP Nhập đề: Chƣơng này trình bầy hai mô hình triển khai IP QoS khác nhau đó là: IntServ và DiffServ. Mỗi mô hình sẽ có những đặc điểm riêng để phù hợp với những yêu cầu chức năng IP QoS của các loại dịch vụ nhƣ đã trình bày trong chƣơng I. Trong khi mô hình IntServ đi theo hƣớng dành trƣớc tài nguyên thì DiffServ thì đi theo hƣớng phân lớp lƣu lƣợng và đƣa ra các ứng xử khác nhau với các lƣu lƣợng khác nhau. Các kỹ thuật đảm bảo chất lƣợng đã đƣợc trình bầy trong chƣơng II sẽ đƣợc áp dụng cài đặt trong mô hình DiffServ một cách đầy đủ và chi tiết hơn. 3.1 Các dịch vụ tích hợp Trong IntServ, một luồng IP riêng biệt đƣợc nhận dạng bởi 5 thông số sau: - Nhận dạng giao thức - Địa chỉ IP đích - Địa chỉ cổng đích - Địa chỉ IP nguồn - Địa chỉ cổng nguồn Để tạo một tài nguyên dành riêng cho một luồng, nguồn ứng dụng phải đƣợc cung cấp một luồng xác định. Luồng xác định này bao gồm một đặc trƣng lƣu lƣợng và các yêu cầu dịch vụ cho luồng. Mô tả lƣu lƣợng bao gồm tốc độ đỉnh, tốc độ trung bình, kích cỡ cụm; và các yêu cầu dịch vụ bao gồm băng thông nhỏ nhất đƣợc yêu cầu và các yêu cầu hiệu năng, ví dụ nhƣ trễ, jitter và tỷ lệ mất gói. IntServ sử dụng giao thức dành riêng tài nguyên (RSVP) cho việc dành riêng các tài nguyên cho một luồng. 3.2 Giao thức dành riêng tài nguyên (RSVP) 3.2.1 Tổng quan về RSVP RSVP đƣợc định nghĩa trong chuẩn RFC 2205. RSVP là một giao thức thiết lập dành riêng cho IP QoS. Nó hỗ trợ cả IPv4 và IPv6 và thích hợp cho cả multicast và unicast IP. Trong RSVP, tài nguyên đƣợc dành riêng cho mỗi một định hƣớng cụ thể. Các trạm nguồn và đích trao đổi bản tin RSVP để thành lập phân lớp dịch vụ và trạng thái chuyển tiếp tại mỗi nút. Nguồn khởi tạo yêu cầu dành riêng nhƣng việc xác định các tài nguyên sẵn sàng và sự dành riêng thực tế bắt đầu từ đầu cuối thu. Trạng thái của tài nguyên dành riêng tại các node RSVP không cố định và đƣợc thay đổi một cách định kỳ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
55. 53 RSVP không phải là một giao thức định tuyến. Các bản tin RSVP có hƣớng giống với hƣớng các gói IP đƣợc xác định bởi các bảng định tuyến trong các router IP. RSVP cung cấp một vài kiểu dành riêng. RSVP là một giao thức phức tạp. Do mỗi một nút trên tuyến phải giữ trạng thái dành riêng, với các mạng lớn, RSVP trở thành không thực tế, bởi khả năng mở rộng. 3.2.2 Hoạt động của RSVP Một phiên RSVP thƣờng đƣợc định nghĩa bởi ba tham số sau: - Địa chỉ đích - Nhận dạng giao thức - Cổng đích Mạng InterSer IP Host nguồn Host đích PATH PATH PATH PATH RESV RESV RESV RESV Data Data Data Data Hình 3.1: Hoạt động của RSVP Hình 3.1 chỉ ra hoạt động của RSVP. Phía trạm phát gửi đi một bản tin PATH tới trạm đích với một luồng hay một “phiên”. Bản tin PATH bao gồm một chỉ thị luồng xác định cho luồng đó Khi bản tin PATH đi qua các router trên một tuyến, các router đăng ký nhận dạng luồng và chỉ thị luồng này, khi bản tin RESV tƣơng ứng tới từ trạm thu, các router tạo sự tƣơng ứng thích hợp giữa thông tin đƣợc chứa trong các bản tin PATH và RESV. Khi trạm thu nhận bản tin PATH, nó gửi một bản tin RESV. Bản tin RESV mang thông tin nguồn dành riêng. Các gói IP của luồng gửi đi theo hƣớng của bản tin PATH. 3.2.3 Các kiểu RSVP dành riêng Có ba loại kiểu dành riêng đƣợc định nghĩa trong chuẩn RFC 2205 nhƣ đã chỉ ra trong hình 3.2. Điều khiển ngƣời gửi sẽ điều khiển lựa chọn những ngƣời gửi. Hai kiểu điều khiển ngƣời gửi đã đƣợc định nghĩa. Trong kiểu lựa chọn cụ thể, một dãy “ cụ thể” tất cả những ngƣời gửi đƣợc lựa chọn đƣợc chỉ ra. Trong lựa chọn bất kỳ, tất cả những ngƣời gửi đến phiên đều đƣợc lựa chọn. Điều khiển chia sẻ điều khiển việc xử lý dành riêng cho những ngƣời gửi khác nhau trong cùng một phiên. Hai kiểu điều khiển chia sẻ đƣợc định nghĩa. Trong kiểu dành riêng riêng biệt, việc dành riêng đƣợc thực hiện cho mỗi đƣờng lên của ngƣời gửi. Trong kiểu dành riêng đƣợc chia sẻ, tài nguyên dành riêng đƣợc chia sẻ bởi nhiều đƣờng lên của các ngƣời gửi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
56. 54 Lựa chọn ngƣời Sự dành riêng gửi Riêng biệt Chia sẻ Toàn bộ Kiểu bộ lọc cố Kiểu chia sẻ toàn định (FF) bộ (SE) Lựa chọn Không định nghĩa Kiểu bộ lọc lựa chọn (WF) Hình 3.2: Các kiểu dành riêng của RSVP Người nhận 1 Đường chia sẻ dành riêng ROUTER Các yêu cầu dành riêng Người nhận N Hình 3.3: Các ống chia sẽ được dành riêng Nhƣ đã chỉ ra trong hình 3.2, có bốn sự kết hợp chia sẻ điều khiển và điều khiển lựa chọn ngƣời gửi có thể xảy ra. Tuy nhiên, một trong bốn sự kết hợp này chƣa đƣợc định nghĩa. Ba kiểu còn lại là kiểu Fixed – Filter, kiểu Shared – Explicit (SE) và kiểu Wildcard – Filter (WF). Hình 3.3 chỉ ra một băng thông “pipe” đƣợc dành riêng đƣợc chia sẻ bởi nhiều ngƣời gửi. 3.2.4 Các ví dụ về IntSer Để làm rõ hoạt động của RSVP trong IntSer chúng ta sẽ nghiên cứu một ví dụ sau. Giả sử có một nguồn truyền video về một sự kiện thể thao lớn trên mạng Internet. Phiên này đƣợc gán một địa chỉ multicast, và nguồn sẽ gán nhãn tất cả các gói tin đi ra với địa chỉ multicast đó. Cũng giả sử rằng một giao thức định tuyến multicast đã đƣợc thành lập để tạo ra một cây multicast từ ngƣời gửi tới bốn đầu nhận nhƣ trong hình dƣới. Con số bên cạnh mỗi điểm là tốc độ mà nó muốn nhận dữ liệu. Cũng giả sử rằng video đƣợc phân lớp và mã hóa để cung cấp sự không đồng nhất của phía ngƣời gửi. Và RSVP hoạt động nhƣ ví dụ dƣới đây. Mỗi ngƣời nhận gửi một bản tin dành riêng reservation message lêm cây multicast. Bản tin reservation message này xác định tốc độ của mà phía nhận muốn để nhận dữ liệu từ nguồn. Khi bản tin reservation message đến router, router điều chỉnh bộ lập lịch gói của nó để tạo ra sự dành riêng. Tiếp theo nó gửi một sự dành riêng đi lên. Tổng số băng thông sành riêng đi lên từ router này tùy thuộc vào băng thông đã dành riêng ở đƣờng xuống. Trong ví dụ này, phía nhận gồm có R1, R2, R3, và R4 dành 10Kbps, 100Kbps, 3Mbps, và 3Mbps. Do Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
57. 55 vậy đƣờng xuống của router D yêu cầu tối đa 3Mbps. Do là truyền dẫn một tới nhiều, router D gửi một bản tin dành riêng tới router B yêu cầu router B dành riêng 3Mbps trên đƣờng link giữa hai router. Chú ý rằng 3Mbps đƣợc dành riêng mà không phải là 3+3=6Mbps; bởi lý do này phía nhận R3và R4 cùng xem một sự kiện thể thao nhƣ nhau, do vậy sự dành riêng có thể đƣợc gộp lại. Tƣơng tự, router C yêu cầu router B dành riêng 100Kbps trên đƣờng link giữa router B và C; mã hóa theo lớp đảm bảo rằng bộ nhận của R1 với tốc độ 20Kbps đã nằm trong đƣờng xuông 100Kbps. Router B nhận reservation message từ đƣờng xuống của nó và truyền reservation vào bộ lập lịch của nó, nó gửi một bản tin reservation message mới vào đƣờng lên của nó để tới router A. Bản tin này yêu cầu dành riêng 3Mbps băng thông giữa đƣờng link A và B, đây cũng là băng thông tối đa của đƣờng dành riêng đi xuống. R1: 20 Kbps ` C Nguồn ` R1: 100 Kbps ` A B D ` R1: 3 Kbps ` R1: 3 Kbps Hình 3.4: Ví dụ 1 về RSVP trong IntSer Ở ví dụ trên loại RSVP sử dụng đƣợc gọi là receiver-oriented (hƣớng phía nhận), ở đó, phía nhận dữ liệu khởi tạo và duy trì tài nguyên dành riêng cho luồng đó. Chú ý rằng mỗi router nhận một reservation message từ đƣờng xuống của nó trong cây multicast và gửi đi chỉ một reservation message theo đƣờng lên. Người gửi/ Người nhận ` Người gửi/ Người gửi/ Người nhận Người nhận ` B ` A D Người gửi/ Người nhận ` Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên