Luận văn Ứng dụng của kiến trúc CQS trong vấn đề quản lý nghẽn trong mạng IP

Nội dung text: Luận văn Ứng dụng của kiến trúc CQS trong vấn đề quản lý nghẽn trong mạng IP

1. Luận văn Ứng dụng của kiến trúc CQS trong vấn đề quản lý nghẽn trong mạng IP
2. Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I - MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG IP 3 1.1 Khái niệm về mạng IP 3 1.2 Mô hình phân lớp TCP/IP 3 1.3 Cấu trúc tiêu đề IPv4 và IPv6 7 1.3.1 Cấu trúc tiêu đề gói tin IPv4 7 1.3.2 Cấu trúc tiêu đề gói tin IPv6 9 1.3.3 Địa chỉ IPv4 11 1.4 Các mức QoS end – to – end. 13 1.4.1 Dịch vụ nỗ lực tối đa. 13 1.4.2 Dịch vụ tích hợp (Intergrated Service) 14 1.4.3 Dịch vụ khác biệt (Differentiated Service) 15 CHƯƠNG II - CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP 18 2.1 Khái niệm QoS 18 2.2 Trễ 20 2.3 Nghẽn 20 2.4 Jitter 21 2.5 Mất gói 22 CHƯƠNG III - KIẾN TRÚC CQS 23 3.1 Vấn đề định tuyến trong mạng IP 23 3.1.1 Khái niệm về định tuyến 23 3.1.2 Các phương pháp định tuyến 24 3.1.2.1 Định tuyến tĩnh 24 3.1.2.2 Định tuyến luân phiên 25 3.1.2.3 Định tuyến động 26 3.1.3 Một số giao thức định tuyến 27 3.1.3.1 Định tuyến vectơ khảng cách 27 3.1.3.2 Định tuyến trạng thái liên kết 29 3.1.3.3 Định tuyến phân lớp 31 3.1.3.4 Định tuyến không phân lớp. 32 3.1.3.5 Định tuyến trên cơ sở QoS 33 3.2 Cấu trúc router 34 3.3 Kiến trúc CQS 37 CHƯƠNG IV - ỨNG DỤNG KIẾN TRÚC CQS CHO QUẢN LÝ NGHẼN TRONG MẠNG IP 41 4.1 Tại sao phải quản lý nghẽn 41 Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT ii
3. Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 4.2 Các chiến lược quản lý nghẽn sử dụng kiến trúc CQS 42 4.2.1 Các chiến lược quản lý nghẽn sử dụng hàng đợi 42 4.2.1.1 Chiến lược hàng đợi FIFO 42 4.2.1.2 Chiến lược hàng đợi cân bằng trọng số (WFQ) 42 4.2.1.3 Chiến lược hàng đợi khách hàng (CQ) 58 4.2.1.4 Chiến lược hàng đợi ưu tiên (PQ) 61 4.2.1.5 So sánh các chiến lược sử dụng hàng đợi 63 4.2.2 Các chiến lược tránh nghẽn 64 4.2.2.1 Random Early Detection 65 4.2.2.2 Weighted Random Early Detection 67 4.2.2.3 Random Early Detection vào/ra 68 4.2.2.4 Adaptive Random Early Detection 69 4.2.2.5 Flow Random Early Detection 70 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT iii
4. Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AVB Available Bit Rate Tốc độ bít khả dụng BGP4 Border Gateway Protocol version 4 Giao thức cổng biên phiên bản 4 CIDR Classess Inter Domain Routing Định truyến liên vùng không phân lớp CL Controlled Load Điểu khiển truyền tải CQS Classification, Queuing, Sheduling Phân loại, hàng đợi, lập lịch DCEF Distributed Cisco Express Chuyển tiếp phân phối nhanh Forwarding của Cisco DiffServ Differentiated Servervice Dịch vụ khác biệt DWFQ VIP-Distributed Weighted Fair Hàng đợi cân bằng trọng số Queuing phân phối theo VIP FIFO First In, First Out Vào trước ra trước FIP Forwarding Information Base Cơ sở thông tin chuyển tiếp GS Guaranteed Service Dịch vụ đảm bảo IGRP Interior Gateway Routing Protocol Giao thức điều khiển cổng bên trong LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic LLQ Low Laytency Queuing Hàng đợi trễ thấp LSA Link State Advertisements Thông báo trạng thái liên kết MTU Maximum Transmission Unit Khối truyền dẫn lớn nhất NCP Network Control Protocol Giao thức điểu khiển mạng NP Net Performance Hiệu năng mạng OSPF Open Sortest Path First Thuật toán tìm đường ngắn nhất đầu tiên PVC Permanent Virtual Circuit Kênh ảo cố định RED Random Early Detection Tách sớm ngẫu nhiên Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT iv
5. Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt RTP Real-Time Transport Protocol Giao thức truyền tải thời gian thực SLA Service Level Agreement Hợp đồng mức dịch vụ SVC Switched Virtual Circuit Kênh ảo chuyển mạch TCP/IP Transfer Control Protocol/Internet Giao thức điều khiển truyền Protocol tải / Giao thức liên mạng VBR Variable Bit Rate Tốc độ bít biến thiên VIP Versatile Interface Procesor Bộ xử lý giao diện đa năng WFQ Weighted Fair Queuing Hàng đợi cân bằng trọng số Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT v
6. Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay mạng lưới viễn thông đã và đang ngày càng phát triển mạnh mẽ và rộng khắp trên thế giới. Điều đó đặt ra một bài toán đó là quản lý mạng viễn thông như thế nào để nó hoạt động một cách hiệu quả và đảm bảo được chất lượng dịch vụ của mạng. Đối với mạng Internet trước đây do nhu cầu khách hàng chưa cao, chủ yếu là sử dụng các dịch vụ truyền thống như truyền file, thư điện tử, dịch vụ telnet v.v Do vậy mà dịch vụ Best Effort là rất hiệu quả và đảm bảo được chất lượng dịch vụ. Nhưng hiện nay với nhu cầu truyền đa phương tiện đang ngày càng phát triển nhanh chóng, điều đó đã làm xuất hiện các dịch vụ Intergrated Service và Differentiated Service. Khi các dịch vụ này ra đời thì yêu cầu về vấn đề định tuyến và tốc độ các router cũng phải được nâng cao. Điều đó cần thiết phải có một cơ chế quản lý mới và một kiến trúc mới để quản lý router tốt hơn. Để đáp ứng yêu cầu đó, “Kiến trúc CQS” đã ra đời và được ứng dụng trong mạng Internet ngày nay. Nội dung đồ án sẽ nghiên cứu đến kiến trúc mới này và một số “Ứng dụng của kiến trúc CQS trong vấn đề quản lý nghẽn trong mạng IP”. Đồ án cũng thực hiện lập trình mô phỏng xác định lượng băng thông cung cấp cho các luồng lưu lượng IP ưu tiên sử dụng thuật toán WFQ. Bố cục của Đồ án gồm năm chương như sau: Chương I: Một số vấn đề tổng quan về mạng IP – Trình bày mô hình giao thức TCP/IP và các dịch vụ Best Effort, Intergrated Service, Differentiated Service. Chương II: Chất lượng dịch vụ trong mạng IP – Trình bày các thông số chất lượng dịch vụ như: trễ, nghẽn, jitter, mất gói. Chương III: Kiến trúc CQS – Trình bày vấn đề định tuyến trong mạng IP và kiến trúc CQS trong router. Chương IV: Ứng dụng kiến trúc CQS cho quản lý nghẽn trong mạng IP – Trình bày các phương pháp quản lý nghẽn có sử dụng kiến trúc CQS. Ngoài ra Đồ án cũng thực hiện lập trình mô phỏng xác định lượng băng thông cung cấp cho các luồng lưu lượng ưu tiên IP sử dụng thuật toán WFQ. Phần này không được đưa vào nội dung Đồ án mà được đưa ra ở một phần riêng. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 6
7. Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Trong quá trình thực hiện Đồ án, với năng lực có hạn nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các độc giả quan tâm tới vấn đề được trình bày trong Đồ án để Đồ án được hoàn chỉnh hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sỹ Nguyễn Văn Đát đã hết sức tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện Đồ án. Hà nội 10/2005 Sinh viên Nguyễn Hữu Liêm Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 7
8. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP CHƯƠNG I - MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG IP 1.1 Khái niệm về mạng IP Tiền thân của mạng Internet là mạng ARPANET của Bộ quốc phòng Mỹ. Mạng ARPANET ra đời với mục đích là kết nối các trung tâm nghiên cứu của một số Viện nghiên cứu và trường đại học nhằm chia sẻ, trao đổi tài nguyên thông tin. Ban đầu giao thức truyền thông được sử dụng là NCP (Network Control Protocol) nhưng sau đó được thay thế bởi bộ giao thức TCP/IP (Transfer Control Protocol/ Internet Protocol). Bộ giao thức TCP/IP gồm một tập hợp các chuẩn của mạng, đặc tả chi tiết cách thức cho các máy tính thông tin liên lạc với nhau, cũng như quy ước cho đấu nối liên mạng và định tuyến cho mạng. Trước đây, người ta định nghĩa “Internet là mạng của tất cả các mạng sử dụng giao thức IP”. Nhưng hiện nay điều đó không còn chính xác nữa vì nhiều mạng có kiến trúc khác nhau nhưng nhờ các cầu nối giao thức nên vẫn có thể kết nối vào Internet và vẫn có thể sử dụng đầy đủ các dịch vụ Internet. Internet không chỉ là một tập hợp các mạng được liên kết với nhau, Internetworking còn có nghĩa là các mạng được liên kết với nhau trên cơ sở cùng đồng ý với nhau về các quy ước mà cho phép các máy tính liên lạc với nhau, cho dù con đường liên lạc sẽ đi qua những mạng mà chúng không được đấu nối trực tiếp tới. Như vậy, kỹ thuật Internet che dấu chi tiết phần cứng của mạng, và cho phép các hệ thống máy tính trao đổi thông tin độc lập với những liên kết mạng vật lý của chúng. 1.2 Mô hình phân lớp TCP/IP TCP/IP là một bộ giao thức được phát triển bởi cục các dự án nghiên cứu cấp cao (ARPA) của bộ quốc phòng Mỹ. Ban đầu nó được sử dụng trong mạng ARPANET. Khi công nghệ mạng cục bộ phát triển, TCP/IP được tích hợp vào môi trường điều hành UNIX và sử dụng chuẩn Ethernet để kết nối các trạm làm việc với nhau. Đến khi xuất hiện các máy PC, TCP/IP lại được chuyển sang môi trường PC, cho phép các máy PC chạy DOS và các trạm làm việc chạy UNIX có thể liên tác trên cùng một mạng. Hiện nay TCP/IP được sử dụng rất phổ biến trong mạng máy tính, mà điển hình là mạng Internet. TCP/IP được phát triển trước mô hình OSI, do đó các tầng trong TCP/IP không tương ứng hoàn toàn với các tầng trong mô hình OSI. Chồng giao thức TCP/IP được chia thành bốn tầng: giao diện mạng (network interface), liên mạng (internet), giao vận (transport) và ứng dụng (application) được cho như hình vẽ 1.1: Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 8
9. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP Mô hình OSI Mô hình TCP/IP Ứng dụng Trình diễn Ứng dụng Phiên Giao vận Giao vận Mạng Liên mạng Liên kết dữ liệu Giao diện mạng Vật lý Hình 1.1: Mô hình giao thức TCP/IP và mô hình OSI Tầng ứng dụng Tầng ứng dụng cung cấp các dịch vụ dưới dạng các giao thức cho ứng dụng của người dùng. Mộ số giao thức tiêu biểu tại tầng này gồm: FTP (File Transfer Protocol): Đây là một dịch vụ hướng kết nối và tin cậy, sử dụng TCP để cung cấp truyền tệp giữa các hệ thống hỗ trợ FTP. Telnet (Terminal Network): Cho phép các phiên đăng nhập từ xa giữa các máy tính. Do Telnet hỗ trợ chế độ văn bản nên giao diện người dùng thường ở dạng dấu nhắc lệnh tương tác. Chúng ta có thể đánh lệnh và các thông báo trả lời sẽ được hiển thị. HTTP (Hyper Text Transfer Protocol): Trao đổi các tài liệu siêu văn bản để hỗ trợ Web. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Truyền thư điện tử giữa các máy tính. Đây là dạng đặc biệt của truyền tệp được sử dụng để gửi các thông báo tới một máy chủ thư hoặc giữa các máy chủ với nhau. POP3 (Post Office Protocol): Cho phép lấy thư điện tử từ hộp thư trên máy chủ. DNS (Domain Name System): Chuyển đổi tên miền thành địa chỉ IP. Giao thức này thường được các ứng dụng sử dụng khi người dùng ứng dụng này dùng tên chứ không dùng địa chỉ IP. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Cung cấp các thông tin cấu hình động cho các trạm, chẳng hạn như gán địa chỉ IP. SNMP (Simple Network Managament Protocol): Được sử dụng để quản trị từ xa các thiết bị chạy TCP/IP. SNMP thường được thực thi trên các trạm của Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 9
10. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP người quản lý, cho phép người quản lý tập trung nhiều chức năng giám sát và điều khiển trong mạng. Tầng giao vận Tầng giao vận chịu trách nhiệm chuyển phát toàn bộ thông báo từ tiến trình - tới - tiến trình. Tại tầng này có hai giao thức là TCP và UDP, mỗi giao thức cung cấp một loại dịch vụ giao vận: hướng kết nối và phi kết nối. Giao thức TCP TCP thực hiện một số chức năng như sau: Chức năng đầu tiên là nhận luồng dữ liệu từ chương trình ứng dụng; dữ liệu này có thể là tệp văn bản hoặc là một bức ảnh. Việc đầu tiên TCP làm là chia luồng dữ liệu nhận được thành các gói nhỏ có thể quản lý. Sau đó gắn mào đầu vào trước mỗi gói. Phần mào đầu này có chứa địa chỉ cổng nguồn và cổng đích. Ngoài ra nó còn chứa số trình tự để chúng ta biết được gói này nằm ở vị trí nào trong luồng dữ liệu. Sau khi nhận được một số lượng gói nhất định, TCP sẽ gửi xác nhận. Ví dụ, nếu chúng ta ở phía nhận, và số lượng gói được quy định là 3 thì chúng ta sẽ gửi xác nhận cho phía gửi sau khi đã nhận được 3 gói. Ưu điểm của việc làm này là TCP có khả năng điều chỉnh việc gửi và nhận các gói tin. Giao thức UDP UDP (User Datagram Protocol) là một giao thức truyền thông phi kết nối và không tin cậy, được dùng thay thế cho TCP trên IP theo yêu cầu của ứng dụng. UDP có trách nhiệm truyền các thông báo từ tiến trình - tới - tiến trình, nhưng không cung cấp cơ chế giám sát và quản lý. UDP cũng cung cấp cơ chế gán và quản lý số cổng để định danh duy nhất cho các ứng dụng chạy trên một trạm của mạng. Do ít chức năng phức tạp nên UDP có xu thế hoạt động nhanh hơn TCP. Nó thường dùng cho các ứng dụng không đòi hỏi độ tin cậy cao. Tầng liên mạng Tầng liên mạng trong chồng giao thức TCP/IP tương ứng tầng mạng trong mô hình OSI. Chức năng chính của tầng liên mạng là đánh địa chỉ logic và định tuyến gói tới đích. Giao thức đáng chú ý nhất ở tầng liên mạng là giao thức liên mạng IP (Internet Protocol). Ngoài ra còn có một số giao thức khác như ICMP, ARP, RARP. Giao thức IP IP là một giao thức phi kết nối và không tin cậy. Nó cung cấp dịch vụ chuyển gói nỗ lực tối đa. Nỗ lực tối đa ở đây có nghĩa IP không cung cấp chức năng theo dõi và kiểm tra lỗi. Nó chỉ cố gắng chuyển gói tới đích chứ không có sự đảm bảo. Nếu độ tin cậy là yếu tố quan trọng, IP phải hoạt động với một giao thức tầng trên tin cậy, chẳng hạn TCP. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 10
11. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP Giao thức ICMP Như đã trình bày ở trên, IP là giao thức chuyển gói phi kết nối và không tin cậy. Nó được thiết kế nhằm mục đích sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng. IP cung cấp dịch vụ chuyển gói nỗ lực tối đa. Tuy nhiên nó có hai thiếu hụt: thiếu hụt điều khiển lỗi và thiết lập các cơ chế hỗ trợ; IP cũng thiết lập cơ chế truy vấn. Một trạm đôi khi cần xác định xem router hoặc một trạm khác có hoạt động không. Một người quản lý mạng đôi khi cần thông tin từ một trạm hoặc router khác. Giao thức thông báo điều khiển liên mạng ICMP (Internet Control Message Protocol) được thiết kế để bù đắp hai thiếu hụt trên. Nó được đi kèm với giao thức IP. Giao thức ARP Giao thức phân giải địa chỉ (ARP: Address Resolution Protocol) chuyển đổi địa chỉ lôgic thành địa chỉ vật lý. Khi một trạm hoặc router cần tìm địa chỉ vật lý của một trạm hoặc một router khác trên mạng, nó gửi gói yêu cầu ARP. Gói này chứa địa chỉ vật lý và địa chỉ lôgic của nguồn và địa chỉ IP của đích. Do nguồn không biết địa chỉ vật lý của đích nên yêu cầu này được gửi quảng bá. Mọi trạm và router trên mạng đều nhận và xử lý yêu cầu ARP này, nhưng chỉ có trạm đích nhận ra địa chỉ IP của nó và gửi trả lời ARP lại cho nguồn. Gói trả lời chứa địa chỉ lôgic và địa chỉ vật lý của đích. Gói trả lời này được gửi thẳng (gửi unicast) tới trạm yêu cầu (nguồn) sử dụng địa chỉ vật lý có trong gói yêu cầu ARP Giao thức RARP Giao thức phân giải địa chỉ ngược (RARP: Reverse Address Resolution Protocol) chuyển đổi địa chỉ vật lý thành địa chỉ lôgic. Nó được sử dụng trong trường hợp một máy biết địa chỉ vật lý của mình nhưng lại không biết địa chỉ IP. Khi máy được bật, yêu cầu RARP được tạo ra và được gửi quảng bá trên mạng cục bộ. Một máy khác trên mạng biết về mọi địa chỉ IP sẽ trả lời yêu cầu bằng bản tin trả lời RARP. Máy yêu cầu RARP phải chạy chương trình RARP khách và máy trả lời RARP phải chạy chương trình RARP chủ. Tầng giao diện mạng Tầng giao diện mạng tương ứng với tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý trong mô hình OSI. Tầng này cung cấp giao tiếp với mạng vật lý. Nó bao gồm tất cả các thành phần phần cứng của cơ sở hạ tầng mạng, và thực hiện việc kiểm soát lỗi dữ liệu phân bố trên mạng vật lý, tạo các kết nối vật lý đến hệ thống cáp trong thời gian thích hợp, tạo khung thông tin. Tầng này không định nghĩa một giao thức riêng nào cả mà hỗ trợ tất cả các giao thức chuẩn và độc quyền. Ví dụ như: Ethernet, Token Ting, FDDI, X25, wireless, Async, ATM, SNA Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 11
12. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP 1.3 Cấu trúc tiêu đề IPv4 và IPv6 1.3.1 Cấu trúc tiêu đề gói tin IPv4 Tiêu đề IP được thêm vào sau khi nó nhận được thông tin của tầng chuyển vận hoặc tầng ứng dụng, sau đó nó được đưa xuống tầng liên kết dữ liệu để truyền đi trên một phương tiện nhất định. Chiều dài của tiêu đề IP có thể từ 20 bytes đến 60bytes trên các đường đi nếu những chức năng lưạ chọn được sử dụng. Cấu trúc tiêu đề được chỉ ra trên hình 1.2 như sau : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Version IHL ToS Total Length Identification Flags Fragment offset TTL Protocol Header Checksum Source IP Address Destination IP Address Options and Padding Hình 1.2: Tiêu đề IPv4 Version: Chỉ ra phiên bản của giao thức hiện hành IPv4, được sử dụng để máy gửi, máy nhận, các bộ định tuyến cùng thống nhất về định dạng lược đồ dữ liệu. IHL (Identifed Header Length): Trường xác nhận độ dài tiêu đề cung cấp thông tin về độ dài tiêu đề của gói tin, thông thường tiêu đề có độ dài 20 octets. TOS (Type Of Service): Trường kiểu phục vụ dài 8 bit nó gồm 2 phần. Trường ưu tiên và kiểu phục vụ. Trường ưu tiên gồm 3 bit dùng để gán mức ưu tiên cho các gói tin, cung cấp cơ chế cho phép điều khiển các gói tin qua mạng. Các bit còn lại dùng xác định kiểu lưu lượng gói tin khi nó chuyển qua mạng, như đặc tính trễ, độ thông qua và độ tin cậy. Vào khoảng cuối năm 1990, IETF đã định nghĩa lại ý nghĩa của các bit trong trường TOS, để thể hiện một tập hợp các dịch vụ khác biệt. Thông qua 6 bit đầu tiên thiết lập 64 điểm mã (codepoint) để ánh xạ vào một số dịch vụ cơ sở, 2 bit còn lại để trống. Tuy nhiên trường dữ Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 12
13. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP liệu này được sử dụng như thế nào thì còn tuỳ thuộc rất nhiều vào kiến trúc mạng, vì chính bản thân mạng Internet không đảm bảo chất lượng phục vụ QoS, nên đây đơn thuần chỉ là tiêu chí yêu cầu chứ không phải là tiêu chí đòi hỏi đối với các bộ định tuyến. TL (Total length): trường hiển thị tổng độ dài gói tin dài 16 bit, nó sử dụng để xác định chiều dài của toàn bộ gói IP. Chiều dài lớn nhất một gói IP cho phép là 65535 octets. Identification: Trường dữ liệu nhận dạng này dài 16 bit. Trường này được máy chủ dùng để phát hiện và nhóm các đoạn bị chia nhỏ ra của gói tin. Các bộ định tuyến sẽ chia nhỏ các gói tin nếu như đơn vị truyền tin lớn nhất của gói tin MTU (Maximum Transmission Unit) lớn hơn MTU của môi trường truyền (Môi trường mà gói tin được truyền dẫn trên đó). MTU của môi trường truyền được định nghĩa như là kích cỡ của gói IP lớn nhất mà nó có thể được mang đi trong một khung liên kết dữ liệu (Tầng liên kết dữ liệu truyền các khung thông tin được ghép kênh và thông tin này được chứa đựng trong các khe thời gian TS). Việc hợp lại các đoạn tin được thực hiện tại máy chủ đích. Sự chia cắt gói tin tạo thêm công việc cho các bộ định tuyến và các máy chủ đầu cuối. Một kỹ thuật có tên là tìm tuyến đường cho đơn vị truyền gói tin lớn nhất (Path MTU Discovery) được đưa ra, tạo khả năng cho một máy chủ gửi tin có thể tìm ra một MTU rộng nhất có thể, theo con đường từ nguồn tới đích mà không cần bất kỳ quá trình chia cắt gói tin nào khác. Flags: Trường cờ chứa 3 bit được sử dụng cho quá trình điều khiển phân đoạn, bit đầu tiên chỉ thị tới các bộ định tuyến cho phép hoặc không cho phép phân đoạn gói tin, 2 bit giá trị thấp được sử dụng điều khiển phân đoạn, kết hợp với trường nhận dạng, trường phân đoạn để xác định gói tin nhận được sau quá trình phân đoạn. Fragment Offset: Trường phân đoạn mang thông tin về số lần chia một gói tin, kích thước của gói tin phụ thuộc vào mạng cơ sở truyền tin, tức là độ dài gói tin không thể vượt quá MTU của môi trường truyền. TTL (Time-to-live): Trường thời gian sống của gói tin được sử dụng để ngăn các gói tin lặp vòng trên mạng. Nó có vai trò như một bộ đếm ngược, tránh hiện tượng trễ gói tin quá lâu trên mạng. TTL cũng sử dụng để xác định phạm vi điều khiển, qua việc xác định xem một gói có thể đi được bao xa trong mạng. Bất kỳ gói tin nào có vùng TTL đạt giá trị bằng 0 thì gói tin đó sẽ bị bộ định tuyến huỷ bỏ và thông báo lỗi sẽ được gửi về trạm phát gói tin. Protocol : Trường này được dùng để xác nhận giao thức tầng kế tiếp mức cao hơn đang sử dụng dịch vụ IP dưới dạng con số. H-Check sum: trường kiểm tra tổng dài 16 bit, được tính toán trong tất cả các trường của tiêu đề IPv4 (ToS, HL, TL ). Mỗi khi gói qua bộ định tuyến, các trường lựa chọn có thể bị thay đổi và trường TTL sẽ bị thay đổi. Cho nên một Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 13
14. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP gói tin khi qua các bộ định tuyến thì trường kiểm tra tổng cần phải được tính toán và cập nhật lại để đảm bảo độ tin cậy của thông tin định tuyến. Source Address- Destination Address: Trường địa chỉ nguồn và địa chỉ đích được các bộ định tuyến và các gateway sử dụng để định tuyến các đơn vị số liệu, luôn luôn đi cùng với gói tin từ nguồn tới đích. Options và Padding: Có độ dài thay đổi, dùng để thêm thông tin tuỳ chọn và chèn đầy đảm bảo số liệu bắt đầu trong phạm vi 32 bit. Ngoài ra, tiêu đề IP cũng có thể chứa các chức năng mà nó cần được xử lý trên mỗi bộ định tuyến dọc theo đường truyền. Tuy nhiên, các chức năng này không được sử dụng quá nhiều bởi vì bất kể cái gì thêm vào phần tiêu đề của gói tin, đều yêu cầu một quá trình xử lý phụ đối với mỗi bộ định tuyến trung gian. Thông thường, các bản ghi tuyến đường sẽ được thêm vào trong trường lựa chọn. 1.3.2 Cấu trúc tiêu đề gói tin IPv6 Diễn đàn IP phiên bản 6 được bắt đầu vào tháng 7-1999 bởi 50 nhà cung cấp Internet hàng đầu với mục đích phát triển giao thức IPv6, nó sẽ cải thiện chất lượng và bảo mật của Internet, thiết lập một cơ cấu cho thế kỷ mới. IPv6 đặc biệt quan trọng khi các thiết bị tính toán di động tiếp tục gia tăng trong thập kỷ tới. Do sự thay đổi về bản chất của Internet và mạng thương mại mà giao thức liên mạng IP trở nên lỗi thời. Trước đây, Internet và hầu hết mạng TCP/IP cung cấp sự hỗ trợ các ứng dụng phân tán khá đơn giản như truyền file, mail, truy nhập từ xa qua TELNET, song ngày nay Internet ngày càng trở thành đa phương tiện, môi trường giàu tính ứng dụng, dẫn đầu là dịch vụ WWW (World Wide Web). Tất cả sự phát triển này đã bỏ xa khả năng đáp ứng các chức năng và dịch vụ của mạng IP. Một môi trường liên mạng cần phải hỗ trợ lưu lượng thời gian thực, kế hoạch điều khiển tắc nghẽn linh hoạt và các đặc điểm bảo mật mà IPv4 hiện không đáp ứng được đầy đủ. Cấu trúc tiêu đề gói tin IPv6 được cho như hình vẽ 1.3: Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 14
15. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Version Traffic Class Flow Label PayLoad Length Next Header Hop Limit Source Address (128 bit) Destination Address (128 bit) Data Hình 1.3: Khuôn dạng tiêu đề IPv6 Version: Chỉ ra phiên bản IPv6 (4 bits). Traffic Class: Lớp lưu lượng (8 bits), sử dụng để phân phối mức ưu tiên lưu lượng Internet. Flow Label: Nhãn luồng (20 bits), được dùng để xác định cách xử lý đặc biệt từ nguồn tới đích theo thứ tự gói. Payload Length: Độ dài tải tin (16 bits). Xác định độ dài của số liệu trong gói. Khi thiết lập về 0 thì đó là cách chọn tải lớn khi chuyển theo từng chặng . Next Header: Tiêu đề kế tiếp (8 bits). Xác định giao thức đóng gói tiếp theo. Các giá trị tương thích với các giá trị dùng trong trường giao thức IPv4. Hop Limit: Giới hạn bước nhảy (8 bits), ở mỗi bộ định tuyến, khi chuyển gói giá trị này sẽ giảm đi 1, nếu giá trị của trường này là 0 thì gói sẽ bị loại bỏ. Trường chức năng giới hạn bước nhảy thay cho trường TTL trong tiêu đề IPv4. Source address: Địa chỉ nguồn IPv6 (128 bit). Destination address: Địa chỉ đích IPv6 (128 bit). Thế giới đang đối mặt với việc thiếu địa chỉ IP cho các thiết bị mạng, địa chỉ dài 32 bit không đáp ứng được sự bùng nổ của mạng. Thêm nữa, IPv4 là giao thức cũ, không đáp ứng những yêu cầu mới về bảo mật, sự linh hoạt trong định tuyến và hỗ trợ lưu lượng, IPv6 được thiết kế bao gồm những chức năng và định Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 15
16. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP dạng mở rộng hơn IPv4 để giải quyết vấn đề này. Tất cả các địa chỉ sử dụng trong Internet đều phải duy nhất. Với phương thức định địa chỉ hiện nay thì việc thiếu địa chỉ sẽ xảy ra sớm hơn. IPv6 là một giao thức thay thế có khả năng duy trì sự phát triển của Internet, giải quyết vấn đề không gian địa chỉ IP: 3,4x1038 so với khoảng 4 tỉ địa chỉ IPv4 và những thuộc tính khác của Internet. IPv6 không chỉ có khả năng mở rộng địa chỉ mà còn hỗ trợ kiến trúc mạng hình thang, phát triển bảo mật và tính toàn vẹn dữ liệu, nâng cao chất lượng dịch vụ QoS và tính bảo mật, định tuyến đơn giản và đặc tính tự động định cấu hình. Với không gian địa chỉ vô cùng lớn nó cho phép các nhà thương mại triển khai các hệ thống thiết bị mạng để bàn và di động một cách hiệu quả. Sự linh hoạt trong định tuyến với các địa chỉ của nút, thiết bị định vị theo cấu trúc cây và khả năng tự định cấu hình và phát hiện các thiết bị xung quanh. 1.3.3 Địa chỉ IPv4 Mỗi trạm trong mạng Internet đều được đặc trưng bởi một số hiệu nhất định gọi là địa chỉ IP. Địa chỉ IP được sử dụng trong lớp mạng để định tuyến các gói tin qua mạng. Do tổ chức và độ lớn của các mạng con trong liên mạng khác nhau nên người ta chia địa chỉ IP thành các lớp A, B, C, D. Lớp A: cho phép định danh tới 126 mạng, với tối đa 16 triệu host trên mỗi mạng. Lớp này được dùng cho các mạng có số trạm cực lớn. Lớp B: cho phép định danh tới 16384 mạng với tối đa 65534 host trên mỗi mạng. Lớp C: cho phép định danh được khoảng 2 triệu mạng với tối đa 254 host trên một mạng. Lớp này được dùng cho các mạng có ít trạm. Lớp D: được dùng để gửi các IP datagram tới một nhóm các host trong liên mạng. Các lớp này được thể hiện như hình vẽ 1.4: Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 16
17. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP 0 7 15 23 31 Lớp A 0NNNNNNN Host ID Host ID Host ID Lớp B 10NNNNNN Network ID Host ID Host ID Lớp C 110NNNNN Network ID Network ID Host ID Lớp D 1110NNNN Multicast Multicast Multicast Hình 1.4: Phân lớp địa chỉ IP Phân mạng là một công nghệ được sử dụng để chia một địa chỉ mạng IP đơn ra thành một số các mạng con. Đây là một hình thức mở rộng mô hình địa chỉ. Điều này cho phép một dải địa chỉ IP lớn được chia ra thành các dải địa chỉ nhỏ hơn và được phân đến nhiều vị trí khác nhau mà không gặp khó khăn gì so với việc yêu cầu một địa chỉ lớp mạng riêng cho mỗi vị trí. Cách xử lý phân mạng này được thực hiện bằng cách phân chia phần máy chủ của lớp địa chỉ IP cho từng mạng con. Cũng như địa chỉ phân lớp cổ điển, ranh giới giữa phần mạng (tiền tố mạng + mạng con) và các phần máy chủ thì được xác định bởi một mặt nạ mạng con. Khi đó cần có thêm một vùng nhận dạng phân mạng subnetID (subnet Identifier) để định danh các mạng con đó. Vùng subnetID sẽ nằm trong vùng nhận dạng máy chủ hostID cũ. Vấn đề mạng con sẽ góp phần giải quyết cho các bảng định tuyến trong các bộ định tuyến thực hiện đơn giản hơn trong quá trình tìm kiếm địa chỉ. Sự phân mạng chia một địa chỉ IP đơn thành các mạng con. Một mạng siêu nhỏ được tạo thành bởi việc tổng hợp nhiều mạng con, tạo thành một địa chỉ chung cho các mạng đó. Việc tổng hợp này tạo ra hai ưu điểm sau: Giảm kích cỡ của các bảng định tuyến được duy trì bởi các bộ định tuyến cùng với việc giảm số lượng các đầu vào mạng trên lớp riêng biệt. Tạo ra khả năng sử dụng hiệu quả không gian địa chỉ IP chưa được sử dụng bằng cách chỉ cấp địa chỉ cho một mạng khi nó cần. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 17
18. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP Khối các địa chỉ lớp con gần nhau thì được biểu diễn lại bằng một ký hiệu “tiền tố mang” và khối này được gọi là khối định tuyến liên vùng không phân lớp CIDR (Classess Inter Domain Routing). CIDR có tác dụng : - Giảm tốc độ cấp phát các địa chỉ IP của mạng Internet cho các mạng con. - Giảm số đường vào các bộ định tuyến của mạng toàn cầu. Các tổ chức giờ đây mong muốn rằng một địa chỉ Internet sẽ được phân chia thành các khối CIDR hơn là các địa chỉ được chia lớp như truyền thống đã được mô tả trên. 1.4 Các mức QoS end – to – end. Nói đến các mức dịch vụ là nói đến các khả năng QoS end – to – end thực tế, nghĩa là khả năng một mạng thực hiện nhu cầu dịch vụ bởi lưu lượng mạng riêng end – to – end hoặc edge – to – edge. Các dịch vụ khác nhau ở mức QoS chính xác của chúng. Có ba mức QoS end – to – end có thể được cung cấp thông qua mạng hỗn hợp: Dịch vụ nỗ lực tối đa, dịch vụ khác biệt và dịch vụ tích hợp. 1.4.1 Dịch vụ nỗ lực tối đa. Dịch vụ Best Effort hoàn toàn phù hợp với các ứng dụng không yêu cầu chặt chẽ về thời gian và sự phân phối gói có khả năng dự đoán trước. Như là các ứng dụng có khuynh hướng phát sinh bùng nổ dữ liệu hoặc ít nhất có thể chịu được sự bùng nổ. Với TCP, mạng có thể xử lý nhiều ứng dụng khi không chỉ bùng nổ mà còn chịu đựng sự mất gói. Cây đường dẫn ngắn nhất thiết lập kết nối chỉ ra. Ngay cả khi tham số của giao thức định tuyến là một đặc tính có đầy đủ ý nghĩa như trễ từng chặng hay băng thông khả dụng thì mạng cũng không đảm bảo tính sẵn sàng thực tế của tài nguyên (như băng thông kết nối và khả năng router) dọc đường dẫn tại một thời điểm cho trước. Bởi vì mô hình edge/core tách rời, các giao thức định tuyến IP không thể tác động tới nhu cầu thay đổi năng động các luồng lưu lượng end – to – end bùng nổ trên mạng. Trong mạng IP thông thường, băng thông khả dụng thực tế hoặc trễ trên một số chặng đã cho phụ thuộc vào độ lớn trên sự linh động của từng luồng lưu lượng qua mạng tại một thời điểm. Một router IP thông thường phản ánh bản chất định nghĩa dịch vụ đơn giản của mạng IP Best Effort. Nhiệm vụ cơ bản của một router IP là chuyển một gói mà nó nhận được ra khỏi một giao diện, thực hiện tìm kiếm bảng chuyển tiếp dựa trên địa chỉ đích của gói và chuyển gói tới router chặng kế tiếp như đã chỉ ra. Router cố gắng thực hiện công việc đó nhanh tới mức nó có thể. Tuy nhiên router quan tâm tới nơi để gửi gói mà ít khi quan tâm tới việc khi nào gửi gói. Điều đơn giản là nó thực hiện theo nguyên lý hàng đợi FIFO. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 18
19. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP 1.4.2 Dịch vụ tích hợp (Intergrated Service) Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng trong việc cung cấp các dịch vụ thời gian thực (thoại, video) và băng thông cao (đa phương tiện) dịch vụ tích hợp IntServ đã ra đời. Đây là sự phát triển của mạng IP nhằm đồng thời cung cấp dịch vụ truyền thống nỗ lực tối đa và các dịch vụ thời gian thực (minh hoạ trên hình 1.5). Động lực thúc đẩy mô hình này chủ yếu do những lý do cơ bản sau đây: o Dịch vụ nỗ lực tối đa không còn đủ tốt nữa: ngày càng có nhiều ứng dụng khác nhau có những yêu cầu khác nhau về đặc tính lưu lượng được triển khai, đồng thời người sử dụng ngày càng yêu cầu cao hơn về chất lượng dịch vụ. o Các ứng dụng đa phương tiện ngày càng xuất hiện nhiều: mạng IP phải có khả năng hỗ trợ không chỉ đơn dịch vụ mà phải hỗ trợ tích hợp đa dịch vụ của nhiều loại lưu lượng khác nhau từ thoại, số liệu đến Video. o Tối ưu hoá hiệu suất sử dụng mạng và tài nguyên mạng: đảm bảo hiệu quả sử dụng và đầu tư. Tài nguyên mạng sẽ được dự trữ cho lưu lượng có độ ưu tiên cao hơn, phần còn lại sẽ dành cho số liệu nỗ lực tối đa. o Cung cấp dịch vụ tốt nhất: mô hình dịch vụ IntServ cho phép nhà cung cấp mạng cung cấp được dịch vụ tốt nhất khác biệt với các nhà cung cấp cạnh tranh khác. Các bản tin Setup đặt trước Giao thức định Ứng dụng Setup Setup tuyến/ Database Điều khiển Data chấp nhận/ Cưỡng bức IP Data Phân loại Lập lịch Phân loại Lập lịch Hình 1.5 : Mô hình dịch vụ tích hợp Trong mô hình này có một số thành phần tham gia như sau: o Giao thức thiết lập: Setup cho phép các máy chủ và các router dự trữ động tài nguyên trong mạng để xử lý các yêu cầu của các luồng lưu lượng riêng, RSVP, Q.2931 là một trong những giao thức đó. o Đặc tính luồng: xác định chất lượng dịch vụ QoS sẽ cung cấp cho luồng riêng biệt. Luồng được định nghĩa như một luồng các gói từ nguồn đến đích có cùng yêu cầu về QoS. Về nguyên tắc có thể hiểu đặc tính luồng Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 19
20. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP như băng tần tối thiểu mà mạng bắt buộc phải cung cấp để đảm bảo QoS cho luồng yêu cầu. o Điều khiển lưu lượng: trong các thiết bị mạng (máy chủ, router, chuyển mạch) có thành phần điều khiển và quản lý tài nguyên mạng cần thiết để hỗ trợ QoS theo yêu cầu. Các thành phần điều khiển lưu lượng này có thể được khai báo bởi giao thức báo hiệu như RSVP hay nhân công. Thành phần điều khiển lưu lượng bao gồm: - Điều khiển chấp nhận: xác định thiết bị mạng có khả năng hỗ trợ QoS theo yêu cầu hay không. - Thiết bị phân loại (Classifier): nhận dạng và lựa chọn lớp dịch vụ - dựa trên nội dung của một số trường nhất định trong mào đầu gói. - Thiết bị lập lịch (Scheduler): cung cấp các mức chất lượng dịch vụ QoS trên kênh ra của thiết bị mạng. Các mức chất lượng dịch vụ cung cấp bởi IntServ bao gồm: o Dịch vụ bảo đảm GS: băng tần dành riêng, trễ có giới hạn và không bị thất thoát gói tin trong hàng đợi. Các ứng dụng cung cấp thuộc loại này có thể kể đến: hội nghị truyền hình chất lượng cao, thanh toán tài chính thời gian thực v.v o Dịch vụ kiểm soát tải CL: không đảm bảo về băng tần hay trễ nhưng khác nỗ lực tối đa ở điểm không giảm chất lượng một cách đáng kể khi tải mạng tăng lên. Phù hợp cho các ứng dụng không nhạy cảm lắm với độ trễ hay mất gói như truyền multicast audio/video chất lượng trung bình. 1.4.3 Dịch vụ khác biệt (Differentiated Service) Việc đưa ra mô hình IntServ đã có vẻ như giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến QoS trong mạng IP. Tuy nhiên trên thực tế, mô hình này không thực sự đảm bảo được QoS xuyên suốt (end-to-end). Đã có nhiều cố gắng để thay đổi điều này nhằm đạt được một mức QoS cao hơn cho mạng IP và một trong những cố gắng đó là sự ra đời của DiffServ. DiffServ sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để hỗ trợ các dịch vụ ưu tiên qua mạng IP. Hiện tại IETF đã có một nhóm làm việc DiffServ để đưa ra các tiêu chuẩn RFC về DiffServ. Nguyên tắc cơ bản của DiffServ như sau: o Định nghĩa một số lượng nhỏ các lớp dịch vụ hay mức ưu tiên. Một lớp dịch vụ có thể liên quan đến đặc tính lưu lượng (băng tần min - max, kích cỡ burst, thời gian kéo dài burst ) o Phân loại và đánh dấu các gói riêng biệt tại biên của mạng vào các lớp dịch vụ. o Các thiết bị chuyển mạch, router trong mạng lõi sẽ phục vụ các gói theo nội dung của các bit đã được đánh dấu trong mào đầu của gói. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 20
21. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP Với nguyên tắc này, DiffServ có nhiều lợi thế hơn so với IntServ: + Không yêu cầu báo hiệu cho từng luồng. + Dịch vụ ưu tiên có thể áp dụng cho một số luồng riêng biệt cùng một lớp dịch vụ. Điều này cho phép nhà cung cấp dịch vụ dễ dàng cung cấp một số lượng nhỏ các mức dịch vụ khác nhau cho khách hàng có nhu cầu. + Không yêu cầu thay đổi tại các máy chủ hay các ứng dụng để hỗ trợ dịch vụ ưu tiên. Đây là công việc của thiết bị biên. + Hỗ trợ rất tốt dịch vụ VPN. Tuy nhiên có thể nhận thấy DiffServ cần vượt qua một số vấn đề như: + Không có khả năng cung cấp băng tần và độ trễ đảm bảo như GS của IntServ hay ATM. + Thiết bị biên vẫn yêu cầu bộ Classifier chất lượng cao cho từng gói giống như trong mô hình IntServ. + Vấn đề quản lý trạng thái classifier của một số lượng lớn các thiết bị biên là một vấn đề không nhỏ cần quan tâm. + Chính sách khuyến khích khách hàng trên cơ sở giá cước cho dịch vụ cung cấp cũng ảnh hưởng đến giá trị của DiffServ. Mô hình DiffServ tại biên và lõi được mô tả trong hình 1.6 sau đây: Phân loại Đánh dấu Hàng đợi, quản Chính sách đa byte gói lý lập lịch Router biên Phân loại DS Hàng đợi, quản lý byte Lập lịch Router lõi Hình 1.6: Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng Mô hình DiffServ bao gồm một số thành phần như sau: o DS-Byte: byte xác định DiffServ là thành phần ToS của IPv4 và trường loại lưu lượng IPv6. Các bit trong byte này thông báo gói tin được mong đợi nhận được thuộc dịch vụ nào. o Các thiết bị biên (router biên): nằm tại lối vào hay lối ra của mạng cung cấp DiffServ. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 21
22. Đồ án tốt nghiệp Đại học Một số vấn đề tổng quan về mạng IP o Các thiết bị bên trong mạng DiffServ. o Quản lý cưỡng bức: các công cụ và nhà quản trị mạng giám sát và đo kiểm đảm bảo SLA giữa mạng và người dùng. Các mức chất lượng dịch vụ cung cấp bởi dịch vụ DiffServ bào gồm: Expedited forwording Assured forwording Trường dịch vụ khác biệt Trong mạng DiffServ octet ToS của gói tin IPv4 đã trở thành trường dịch vụ khác biệt (Differentiated servervice Field). Trong đó 6 bit của octet ToS cũ tạo nên một điểm mã hoá DiffServ mới (DSCP) như chỉ ra trên hình 1.7. Và như vậy về mặt lý thuyết cho phép phân loại tới 26 trường hợp khác nhau. 0 5 7 DSCP CU Hình 1.7: Trường dịch vụ khác biệt DSCP: Differentiated Services Code-Point. CU: Currently unused. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 22
23. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chất lượng dịch vụ trong mạng IP CHƯƠNG II - CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP 2.1 Khái niệm QoS Khuyến nghị của CCITT là E800 đưa ra một tính chất chung của QoS (Quanlity of Service): “ Hiệu ứng chung của đặc tính chất lượng dịch vụ là xác định mức độ hài lòng của người sử dụng đối với dịch vụ”. Khuyến nghị ETR300 003 của ETSI chia và cải tiến định nghĩa của ITU thành các định nghĩa nhỏ hơn, nó phù hợp với các yêu cầu và quan điểm của các nhóm khác nhau trong viễn thông. Các định nghĩa đó là: o Yêu cầu QoS của người sử dụng/khách hàng. o Đề nghị QoS của nhà cung cấp dịch vụ. o Việc thực hiện QoS bởi các nhà cung cấp dịch vụ. o Sự cảm nhận QoS của người sử dụng/khách hàng. o Yêu cầu QoS của nhà cung cấp dịch vụ. Như vậy một cách tổng quát QoS mang ý nghĩa là “khả năng của mạng đảm bảo và duy trì các mức thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo như các yêu cầu đã được chỉ rõ của mỗi người sử dụng”. Một ý trong định nghĩa này chính là chìa khoá để hiểu được QoS là gì từ góc nhìn của nhà cung cấp dịch vụ mạng. Nhà cung cấp dịch vụ mạng đảm bảo QoS cung cấp cho người sử dụng, và thực hiện các biện pháp để duy trì mức QoS khi điều kiện mạng bị thay đổi vì các nguyên nhân như nghẽn, hỏng hóc thiết bị hay lỗi liên kết v.v QoS cần được cung cấp cho mỗi ứng dụng để người sử dụng có thể chạy ứng dụng đó, và mức QoS mà ứng dụng đòi hỏi chỉ có thể được xác định bởi người sử dụng, bởi vì chỉ người sử dụng mới có thể biết được chính xác ứng dụng của mình cần gì để hoạt động tốt. Tuy nhiên, không phải người sử dụng tự động biết được mạng cần phải cung cấp những gì cần thiết cho ứng dụng, họ phải tìm hiểu các thông tin cung cấp từ người quản trị mạng và chắc chắn rằng, mạng không thể tự động đặt ra QoS cần thiết cho một ứng dụng của người sử dụng. Các nhà cung cấp dịch vụ mạng đưa ra thông tin đặc tả về giá trị thực tế của các thông số QoS theo một trong hai cách sau. Với môi trường kênh ảo cố định (PVC: Permanent Virtual Circuit), các giá trị của các tham số QoS có thể chỉ đơn giản được ghi bằng văn bản và trao lại cho đại diện của nhà cung cấp dịch vụ mạng. Khách hàng với nhà cung cấp dịch vụ thoả thuận với nhau về cách thức sử dụng. QoS có hiệu lực trên PVC khi PVC sẵn sàng. Với môi trường kênh ảo chuyển mạch (SVC: Switched Virtual Circuit), các giá trị của thông số QoS được gửi cho nhà cung cấp dịch vụ trong bản tin báo hiệu thiết lập cuộc gọi, nó là một phần của giao thức báo hiệu được sử dụng để cung cấp dịch vụ chuyển mạch trên mạng. Cả hai phương pháp đều được sử dụng trong mạng. Phương pháp PVC cho phép QoS được cung cấp trong một miền lớn hơn, trong Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 23
24. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chất lượng dịch vụ trong mạng IP khi phương pháp SVC đòi hỏi QoS trên một kết nối cho trước và được thiết lập liên tục. Nếu một mạng được tối ưu hoàn toàn cho một loại dịch vụ, thì người sử dụng ít phải xác định chi tiết các thông số QoS. Ví dụ, với mạng PSTN, được tối ưu cho thoại, không cần phải xác định băng thông hay trễ cần cho một cuộc gọi. Tất cả các cuộc gọi đều được đảm bảo QoS như đã được quy định trong các chuẩn liên quan cho điện thoại. Đảm bảo chất lượng mạng trong một môi trường dịch vụ hợp đồng thường được biểu hiện theo hình thức thoả thuận mức dịch vụ (SLA: Service Level Agreement) được thiết lập giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ. SLA có thể là một phần của hợp đồng dịch vụ hay là một tài liệu độc lập hoàn toàn. SLA đưa ra các yêu cầu của khách hàng và các hình phạt đối với nhà cung cấp trong trường hợp xảy ra sự cố. SLA cũng cung cấp một phương pháp thuận tiện cho khách hàng để so sánh các dịch vụ do các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau đưa ra. Vậy trong tất cả những điều đã nêu về phân cấp QoS, đảm bảo chất lượng và SLA, điều nào phải được thực hiện các dịch vụ thời gian thực trên môi trường IP, ví dụ như VoIP? Vấn đề là bản chất định hướng 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 quản lý được. Thuật ngữ quản lý được ở đây là bất cứ cái gì mà nhà cung cấp dịch vụ quản lý thay mặt cho khách hàng. Hình vẽ 2.1 sau đây biểu diễn một mô hình QoS tổng quan. ` AP Mạng Mạng AP ` NP NP NP QoS Hình 2.1 Mô hình QoS tổng quát Trong hình vẽ, NP (Net Performance: hiệu năng mạng) là năng lực và hiệu quả của một mạng cụ thể. Nó bao gồm khả năng ứng xử của mạng, tính hiệu quả của mạng và chất lượng phục vụ mà mạng cung cấp. Tránh nhầm lẫn giữa NP và QoS. AP (Access Point) là điểm truy nhập mạng. Các thông số để xác định QoS đó là các đặc tính trễ, nghẽn, Jitter, mất gói, v.v Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu từng đặc tính đó. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 24
25. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chất lượng dịch vụ trong mạng IP 2.2 Trễ Trễ (latency, delay) là đặc tính để chỉ lượng thời gian cần thiết để một gói tin di chuyển từ nguồn tới đích (trễ end – to – end). Trễ end – to – end là kết hợp của ba loại trễ: trễ truyền lan, trễ quá trình, và trễ xếp hàng. Trễ truyền lan Trễ truyền lan do tốc độ truyền tín hiệu trong mạng gây nên. Ví dụ tốc độ các điện tử truyền truyền lan trong cáp đồng là 125000 mile/giây. Như vậy một mạng cáp kéo dài liên tục nửa vòng trái đất có trễ truyền lan một chiều vào khoảng 70ms. Loại trễ này là có thể dự đoán trước. Trễ quá trình Trễ quá trình là trễ gây ra bởi quá trình xử lý của các thiết bị trong mạng (như các thiết bị chuyển mạch, router), và nhiều yếu tố khác như quá trình đóng gói, nén Trễ quá trình ảnh hưởng rất lớn tới mạng chuyển mạch gói trong đó có mạng IP. Ví dụ, trong sản phẩm Cisco IOS VoIP, bộ xử lý tín hiệu số (DSP) phát ra mẫu thoại sau mỗi 10 ms khi dùng G.729. Hai mẫu thoại này (cả hai đều trễ 10 ms) được đặt vào một gói. Do vậy gói bị trễ 20 ms. Một khoảng thời gian tiền xử lý 5 ms là cần thiết khi dùng G.729, dẫn đến trễ ban đầu là 25 ms cho frame thoại đầu tiên. Các nhà chế tạo có thể quyết định số lượng mẫu mà họ sẽ gửi vào trong một gói. Bởi G.729 dùng các mẫu thoại 10 ms, nên mỗi một sự gia tăng mẫu là làm cho thời gian trễ của frame tăng lên 10 ms. Trên thực tế Cisco cho phép người dùng tự lựa chọn số mẫu để đặt vào trong mỗi frame. Trễ xếp hàng. Trong mạng chuyển mạch gói việc sử dụng các hàng đợi sẽ gây ra một loại trễ đó là trễ hàng đợi. Sỡ dĩ có loại trễ này là do trong quá trình xếp vào hàng đợi các gói phải chờ xử lý để được ra khỏi hàng đợi. Trong trường hợp lưu lượng mạng thấp (hàng đợi không bị đầy) thì các gói có thể được xử lý ngay. Nhưng khi mạng xảy ra nghẽn (hàng đợi bị đầy) thì các gói sẽ phải chờ một thời gian xử lý mới có thể được truyền đi và quá trình đợi này có thể rất lâu tuỳ vào tình trạng nghẽn kéo dài hay không. Trễ gây ra quá trình xếp hàng này là không thể dự đoán trước và thường giao động theo một mô hình nghẽn. 2.3 Nghẽn Chúng ta biết rằng router là điểm quy tụ và phân chia lưu lượng của hàng chục, hàng trăm, thậm chí hàng nghìn luồng gói. Lưu lượng các luồng gói đến là luôn luôn thay đổi. Nếu như các luồng lưu lượng đến đồng thời cùng một lúc mà nó cùng định hướng tới một đầu ra, mà khả năng xử lý và tốc độ giao diện đầu Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 25
26. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chất lượng dịch vụ trong mạng IP ra không đáp ứng kịp thời, tức là tốc độ đến lớn hơn tốc độ đi thì sẽ có nghẽn xảy ra. Ví dụ, lưu lượng hội tụ từ nhiều đường liên kết Ethernet 100 Mbps có thể dễ dàng vượt quá khả năng của các luồng OC – 3/STM – 1,55 Mbps, hoặc lưu lượng từ một đường kết nối T3/E3 có thể đồng thời yêu cầu chuyển tiếp ra cùng nhiều đường liên kết T1/E1 nhỏ hơn. Để xử lý những điều đó, tất cả các router kết hợp các bộ đệm (hàng đợi) nội bộ trong đó chúng lưu giữ các gói dư ra cho đến khi chúng có thể gửi tiếp về phía trước. Việc này sẽ gây ra trễ cộng vào. 2.4 Jitter Một cách đơn giản jitter là sự thay đổi khoảng thời gian giữa các gói. Jitter là một vấn đề chỉ tồn tại trên các mạng gói. Ví dụ có một lượng gói được truyền đi (giả sử là gói thoại) trong môi trường IP. Người gửi mong đợi các gói này được chuyển đi một cách tin cậy và cách nhau một khoảng thời gian không đổi (chẳng hạn 20ms). Thực tế các gói này có thể bị trì hoãn khi đi qua mạng và không thể đến đích vào các thời điểm cách đều nhau như khi gửi đi. Ví dụ, chúng có thể không nhận được sau mỗi 20 ms như chỉ ra trên hình 2.2. Độ lệch giữa thời điểm mong đợi và thời điểm nhận được gói thực sự được gọi là jitter. Máy nguồn Máy đích Mạng ` ` A B C Máy đích truyền A B C Khe nhận D1 D2 = D1 D3 ≠ D2 Hình 2.2: Hiện tượng jitter. Trên hình vẽ cho thấy thời lượng cần phải gửi gói A và gói B là bằng nhau (D1 = D2). Gói C vấp phải một thời gian trễ trên mạng và nhận được vào thời điểm trễ hơn so với thời gian dự định. Đây là lý do tồn tại bộ đêm jitter, bộ đệm này che đi sự thay đổi thời gian trễ. Điều cần lưu ý là jitter và trễ không phải là một sự việc, cho dù có nhiều jitter trong mạng gói có thể làm tăng tổng thời gian trễ trong mạng. Bởi vì càng có nhiều jitter thì càng phải tăng bộ đệm jitter để bù vào bản chất tự nhiên không thể dự đoán được của mạng gói. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 26
27. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chất lượng dịch vụ trong mạng IP Nếu mạng số liệu của chúng ta tốt và có phòng ngừa thích hợp thì jitter trong mạng không phải là trở ngại lớn và bộ đệm jitter không đóng góp lượng đáng kể vào tổng trễ. Các tem thời gian RTP được dùng trong phần mềm Cisco IOS để xác định mức jitter nào xuất hiện trong mạng. Bộ đệm jitter đôi khi còn được gọi là hàng đợi động (dynamic queue). Hàng đợi này có thể tăng lên hay giảm xuống theo hàm mũ tuỳ vào khoảng thời gian giữa các gói. 2.5 Mất gói Một vấn đề khác là mất gói. Như chúng ta đã biết các router thường chỉ có một khả năng đệm giới hạn, giai đoạn duy trì nghẽn có thể làm cho bộ đệm đạt tới giới hạn của chúng. Khi các gói đi vào bộ đệm mà không gian bộ đệm đã hết thì các gói phải bị thải hồi cho đến khi bộ đệm trở lại khả dụng. Điều này sẽ làm cho phía thu không nhận được gói. Nó cũng gây nên trễ cộng vào khi thực hiện truyền lại. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 27
28. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS CHƯƠNG III - KIẾN TRÚC CQS 3.1 Vấn đề định tuyến trong mạng IP 3.1.1 Khái niệm về định tuyến Định tuyến là quá trình tìm đường đi từ một nguồn đến một đích cho trước. Nguồn và đích ở đây có thể là một máy tính, có thể là máy fax, hay nói chung là bất kỳ một thiết bị nào tham gia vào quá trình vận chuyển và truyền nhận thông tin trong mạng. Định tuyến đảm bảo cho thông tin được truyền đi trên mạng tới được đích cần đến của nó. Quá trình này cần phải thực hiện theo một tiêu chí nhất định để chọn ra được một đường đi tối ưu (chẳng hạn như đường đi ngắn nhất). Thiết bị thực hiện việc định tuyến đó là router (hay bộ định tuyến). Trong mỗi bộ định tuyến sẽ có một bảng định tuyến để ghi lại trạng thái của mạng và các thông tin đồ hình mạng để từ đó router có quyết định chọn đường đi tối ưu nhất theo tiêu chí đã định trước. Còn thông tin về địa chỉ sẽ được ghi trong tiêu đề gói tin. Hình vẽ 3.1 sau đây biểu diễn một quá trình truyền tin được thực hiện trong mạng từ một máy tính X đến một máy tính Y thông qua các router. Mô hình phân lớp ở dưới biểu diễn quá trình truyền gói tin trong các lớp theo mô hình OSI. C X ` ` A B X Y Application Application Presenlation Presenlation Session Session Transport A B C Transport Network Network Network Network Network Data Linhk Data Linhk Data Linhk Data Linhk Data Linhk Physical Physical Physical Physical Physical Hình 3.1: Quá trình truyền tin trong mạng. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 28
29. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS 3.1.2 Các phương pháp định tuyến. 3.1.2.1 Định tuyến tĩnh Là phương pháp định tuyến không sử dụng các giao thức định tuyến. Các định tuyến đến một mạng đích sẽ thực hiện một cách cố định không thay đổi trên mỗi bộ định tuyến. Mỗi khi thực hiện một việc thêm bớt các mạng phải thực hiện thay đổi lại cấu hình trên mỗi bộ định tuyến. Tạo hướng cố định là phương thức đơn giản nhất, trong đó mỗi bộ định tuyến của mạng chứa các bảng tạo hướng cố định. Các bản tạo hướng này cung cấp cho chúng tất cả các thông tin cần để phân hướng cho các gói qua mạng. Hình vẽ 3.2 là một ví dụ về định tuyến cố định: E D ` ` 1 F 4 2 ` R1 R2 3 1 R3 2 3 R4 ` ` ` C B Hình 3.2: Nguyên tắc định tuyến tĩnh. Để mô tả sự làm việc của nó ta xác định bảng định tuyến cho bộ định tuyến R2, R3 theo phương pháp định tuyến tĩnh như sau: Thiết bị Thiết bị Tuyến Tuyến đầu cuối đầu cuối A 3 A 3 B 3 B 3 C 3 C 4 D 4 D 1 E 2 E 2 F 1 F 2 R2 R3 Bảng 3.1: Bảng định tuyến tĩnh cho R2 và R3. Ưu điểm lớn nhất của định tuyến cố định là cấu hình mạng chậm, có nghĩa là tính chịu đàn hồi của mạng sẽ tốt hơn dẫn tới việc đoán hiệu năng mạng và sửa Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 29
30. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS lỗi nhanh hơn. Trong định tuyến tĩnh các bộ định tuyến không cần trao đổi các thông tin tìm đường cũng như cơ sở dữ liệu định tuyến. Do đó nó được sử dụng trong trường hợp cần che dấu một phần của liên mạng (vì lý do an toàn). Trong trường hợp mạng chỉ có một đường dẫn duy nhất để tiếp cận với nó (mạng này còn được gọi là stub network) thì cũng chỉ cần một tuyến tĩnh là đủ. Hình 3.3 biểu diễn một mạng như vậy: Hình 3.3: Sử dụng định tuyến tĩnh cho mạng cụt. 3.1.2.2 Định tuyến luân phiên Phương pháp định tuyến luân phiên được biểu diễn trong hình vẽ 3.4 dưới đây. Giữa bất kỳ hai nút mạng nào cũng có nhiều hơn một tuyến. Nguyên tắc định tuyến luân phiên như sau: khi tất cả các mạch thuộc tuyến đầu tiên bận thì tuyến thứ hai được chọn; nếu tuyến thứ hai bận thì tuyến thứ ba được chọn và cứ như vậy cho tới khi tìm được tuyến rỗi hoặc sẽ mất cuộc gọi đó. Phương pháp này rất hiệu quả trong việc tối ưu hoá sử dụng các kênh trung kế và thường được áp dụng giữa các tổng đài điện tử số SPC. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 30
31. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS R3 R4 Tuyến thứ 3 Tuyến thứ 2 ` R5 Tuyến thứ 1 R1 ` R2 Hình 3.4: Nguyên tắc định tuyến luân phiên. 3.1.2.3 Định tuyến động Định tuyến động là định tuyến dựa trên thông tin về trạng thái hiện thời của mạng. Thông tin trạng thái có thể dự đoán và tuyến đường có thể thay đổi khi cấu hình mạng hoặc lưu lượng mạng thay đổi. Thông tin định tuyến cập nhật vào trong các bảng định tuyến của các node mạng trực tuyến và đáp ứng tính thời gian thực nhằm tránh tắc nghẽn cũng như tối ưu hiệu năng mạng. Có hai phương pháp định tuyến động được sử dụng đó là: định tuyến động theo thời gian và định tuyến động theo trạng thái mạng. Định tuyến động theo thời gian được áp dụng trong những vùng mạng có lưu lượng thay đổi theo thời gian trong ngày và sự thay đổi đó theo một quy luật nhất định. Phương pháp định tuyến này đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả cho việc sử dụng sử dụng kênh trung kế dưới tác động của sự thay đổi lưu lượng mạng thực tế theo thời gian trong ngày. Định tuyến động theo trạng thái mạng được sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông. Với phương pháp này việc chọn tuyến sẽ hoàn toàn tự động theo trạng thái lưu lượng mạng hiện thời. Việc chọn tuyến này được điều khiển bởi một trung tâm điều hành mạng. Ưu điểm lớn nhất của định tuyến động là nó có thể thiết lập tuyến đường tới tất cả các thiết bị trong mạng, tự động thay đổi khi tuyến đường cấu hình mạng thay đổi, chẳng hạn như khi: - Thêm thiết bị và địa chỉ mạng mới. - Loại bỏ thiết bị và địa chỉ khỏi mạng. - Tự động cấu hình phù hợp với sự thay đổi mạng. Hình 3.5 cho chúng ta thấy được một trong những ưu điểm của định tuyến động. Ở đây quá trình định tuyến từ nguồn tới đích có thể được lựa chọn một Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 31
32. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS trong hai đường. Có thể đi theo đường X -> R1 -> R2 -> R4 -> Y hoặc X -> R1 -> R3 -> R4 -> Y. Giả sử ban đầu nó đang đi theo đường thứ nhất. Nếu trong quá trình truyền thông tin thì mạng bị lỗi ở tuyến đó. Lúc này Router R1 sẽ tự động cập nhật và thay đổi lại bảng định tuyến và chuyển hướng truyền tin theo đường thứ hai mà không làm gián đoạn quá trình tuyền tin. Điều này là không thể có trong định tuyến tĩnh. Trong định tuyến tĩnh nếu xảy ra sự cố trên đường truyền thì quá trình truyền tin sẽ bị gián đoạn cho tới khi sự cố được khắc phục. R2 ` X Y R3 R4 ` Hình 3.5: Khả năng thay thế tuyến của định tuyến động Định tuyến động sử dụng các giao thức định tuyến để thực hiện xây dựng nên các bảng định tuyến trên các bộ định tuyến. Các giao thức định tuyến động được chia thành hai nhóm chính là: Giao thức định tuyến vector khoảng cách và giao thức định tuyến trạng thái liên kết. Ngoài ra còn có một số giao thức lai ghép như: Giao thức định tuyến phân lớp, giao thức định tuyến không phân lớp và giao thức định tuyến trên cơ sở QoS. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu các giao thức định tuyến đó. 3.1.3 Một số giao thức định tuyến 3.1.3.1 Định tuyến vectơ khảng cách. Theo giao thức này, các router sẽ định kỳ chuyển thông tin có trong bảng định tuyến đến các router lân cận nối trực tiếp với nó và cũng theo định kỳ nhận các bảng định tuyến từ các router lân cận. Sau khi nhận các bảng định tuyến từ các router lân cận nó sẽ so sánh với bảng định tuyến hiện có và quyết định về việc xây dựng lại các bảng định tuyến theo thuật toán của từng giao thức hay không. Trong trường hợp phải xây dựng lại, router sau đó sẽ gửi bảng định tuyến mới cho các router lân cận và các router lân cận lại thực hiện các công việc tương tự. Các router tự xác định các router lân cận trên cơ sở thuật toán và các thông tin thu được từ mạng. Từ việc cần thiết phải gửi các bảng định tuyến mới cho các router lân cận và các router lân cận lại phải gửi bảng định tuyến mới của nó, định tuyến lặp vòng Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 32
33. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS có thể xảy ra nếu sự hội tụ về trạng thái bền vững của mạng diễn ra chậm trên một cấu hình mới. Các router sử dụng kỹ thuật bộ đếm định thời để đảm bảo không nảy sinh việc xây dựng một bảng định tuyến sai. Có thể diễn giải điều đó như sau: - Khi một router nhận được một cập nhật từ lân cận chỉ rằng một mạng có thể truy xuất trước đây nay không thể truy xuất được nữa, router đánh dấu tuyến không thể truy xuất và khởi động một bộ định thời. - Nếu tại bất kỳ thời điểm nào mà trước khi bộ định thời hết hạn một cập nhật được tiếp nhận cũng từ lân cận đó chỉ ra rằng mạng đã được truy xuất trở lại, router đánh dấu mạng có thể truy xuất và giải phóng bộ định thời. - Nếu một cập nhật đến từ một bộ định tuyến lân cận khác với giá trị định tuyến tốt hơn giá trị định tuyến được ghi cho mạng này, router đánh dấu mạng có thể truy xuất và giải phóng bộ định thời. Nếu giá trị định tuyến tồi hơn thì cập nhật được bỏ qua. - Khi bộ định thời đếm về không thì giá trị định tuyến mới được xác lập, router có bảng định tuyến mới. Việc tính toán tuyến trong giao thức vector khoảng cách sử dụng thuật toán tìm đường ngắn nhất theo kỹ thuật phân tán mà điển hình là thuật toán chọn đường Ford & Fulkerson. Kỹ thuật chọn đường này cho phép ta tìm tất cả các con đường đi ngắn nhất từ tất cả các đỉnh tới một đỉnh cho trước. Giải thuật này được thực hiện bằng các bước lặp, sau k bước, mỗi đỉnh được đánh dấu bởi một cặp giá trị (nk(v), Dk(v)), trong đó: Dk(v) là giá trị cực tiểu từ đỉnh v đến đích tại bước thứ k. Nk(v) là đỉnh tiếp theo trên con đường từ v đến đích tại bước thứ k. Quá trình lặp sẽ dừng lại khi cặp đánh dấu của mỗi đỉnh được giữ nguyên không thay đổi nữa. Thuật toán Ford & Fulkerson được mô tả như sau: - Đầu vào: Đồ thị có hướng G = (V, E) với n đỉnh. a(u,v) là ma trận trọng số không âm. s là đỉnh đích. - Đầu ra: N(v) ghi nhận đỉnh trước v trên đường đi đến đích. Dk(s) ghi lại đường đi ngắn nhất. Giải thuật: Bước 0 (khởi tạo): D0(s) = 0; Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 33
34. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS Bước k (tính và cập nhật): Với mọi v khác s (đích), cập nhật lại Dk(v) như sau: Dk(v) = min[Dk – 1(w) + l(v,w)] Với w thuộc Nv, trong đó Nv là tập các nút lân cận của v. Cập nhật nk(v) như sau: nk(v) = w1; với w1 thoả mãn biểu thức: Dk – 1(w1) + l(v, w1) = min[Dk – 1(w) + l(v, w)] Kiểm tra điều kiện lặp: Nếu tồn tại Dk(v) khác Dk – 1(v) thì tiếp tục bước k+1. Ngược lại thì kết thúc quá trình tính toán. 3.1.3.2 Định tuyến trạng thái liên kết Các giải thuật định tuyến trạng thái liên kết còn được gọi là định tuyến đường dẫn ngắn nhất OSPF (Open Shortest Path First). Nó duy trì một cơ sở dữ liệu phức tạp chứa thông tin về cấu hình mạng. Trong khi giải thuật vector khoảng cách không có thông tin đặc biệt gì về các mạng ở xa và cũng không biết các router ở xa, giải thuật trạng thái liên kết biết được đầy đủ về các router ở xa và biết được chúng liên kết với nhau như thế nào. Giao thức định tuyến trạng thái liên kết sử dụng: - Các thông báo về trạng thái liên kết LSA (Link State Advertisements). - Một cơ sử dữ liệu về cấu hình mạng. - Giải thuật OSPF và cây OSPF sau cùng. - Một bảng định tuyến liên hệ các đường dẫn và các cổng đến từng mạng. Hoạt động tìm hiểu khám phá mạng trong kiểu định tuyến trạng thái liên kết được thực hiện như sau: - Các router trao đổi các LSA cho nhau. Mỗi router bắt đầu với các mạng được kết nối trực tiếp để lấy thông tin. - Mỗi router đồng thời với các router khác tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu về cấu hình mạng bao gồm tất cả các LSA đến từ liên mạng. - Giải thuật OSPF tính toán đường đi mạng có thể đạt đến. Router xây dựng cấu hình mạng luận lý như một cây, tự nó là gốc, gồm tất cả các đường dẫn có thể đến mỗi mạng trong toàn bộ mạng đang chạy giao thức định tuyến trạng thái liên kết. Sau đó nó sắp xếp các đường dẫn này theo chiến lược chọn đường dẫn ngắn nhất. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 34
35. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS - Router liệt kê các đường dẫn tốt nhất của nó và các cổng dẫn đến mạng đích trong bảng định tuyến của nó. Nó cũng duy trì các cơ sở dữ liệu khác về các phần tử cấu hình mạng và các chi tiết về hiện trạng của mạng. Khi nó thay đổi về cấu hình mạng, router đầu tiên nhận biết được sự thay đổi này gửi thông tin đến các bộ định tuyến khác hay đến một router định trước được gán là tham chiếu cho tất cả các router trên mạng làm căn cứ cập nhật. - Theo dõi các lân cận của nó, xem xét có hoạt động hay không, và giá trị định tuyến đến lân cận đó. - Tạo một gói LSA trong đó liệt kê của tất cả các router lân cận và giá trị định tuyến đối với các lân cận mới, các thay đổi trong giá trị định tuyến và các liên kết dẫn đến các lân cận đã được ghi. - Gửi gói LSA này đi sao cho tất cả các router đều nhận được. - Khi nhận một gói LSA, ghi gói LSA vào cơ sở dữ liệu để sao cho cập nhật gói LSA mới nhất được phát ra từ mỗi bộ định tuyến. - Hoàn thành bản đồ của liên mạng bằng cách dùng dữ liệu từ các gói LSA tích luỹ được và sau đó tính toán các tuyến dần đến tất cả các mạng khác sử dụng thuật toán OSPF. Có hai vấn đề cần lưu ý với giao thức định tuyến trạng thái liên kết là:  Hoạt động của các giao thức định tuyến trạng thái liên kết trong hầu hết các trường hợp đều yêu cầu các router dùng nhiều bộ nhớ và thực thi nhiều hơn so với giao thức định tuyến theo vector khoảng cách. Các yêu cầu này xuất phát từ việc cần thiết phải lưu trữ thông tin của tất cả các lân cận, cơ sở dữ liệu mạng đến từ các nơi khác và thực thi các thuật toán định tuyến trạng thái liên kết. Người quản lý mạng phải đảm bảo rằng các bộ định tuyến mà họ chọn có khả năng cung cấp các tài nguyên cần thiết này.  Các nhu cầu về băng thông cần phải tiêu tốn để khởi động sự phát tán gói trạng thái. Trong khi khởi động quá trình khám phá tất cả các router dùng các giao thức định tuyến trạng thái liên kết để gửi các gói LSA đến tất cả các bộ định tuyến khác. Hành động này làm tràn ngập mạng khi mà các router đồng loạt yêu cầu băng thông và tạm thời làm giảm lượng băng thông khả dụng dùng cho lưu lượng dữ liệu thực được định tuyến. Sau khi khởi động phát tán này, các giao thức định tuyến trạng thái liên kết thường chỉ yêu cầu một lượng băng thông tối thiểu để gửi các gói LSA kích hoạt sự kiện không thường xuyên nhằm phản ánh sự thay đổi cấu hình mạng. Việc tính toán tuyến trong giao thức định tuyến trạng thái liên kết sử dụng thuật toán chọn đường ngắn nhất theo kỹ thuật chọn đường tập trung mà điển hình là thuật toán Dijkstra. Thuật toán đưa ra để tìm đường đi ngắn nhất từ đỉnh s đến tất cả các đỉnh còn lại trong đồ thị có hướng dựa trên cơ sở gán cho các đỉnh các nhãn tạm thời (khác với thuật toán Ford & Fulkerson tìm đường đi từ tất cả các đỉnh đến một đích). Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 35
36. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS Thuật toán Dijkstra được mô tả như sau: - Đầu vào: Đồ thị có hướng G = (V, E) với n đỉnh. s thuộc V là đỉnh xuất phát. a[u, v] là ma trận trọng số. d(v) là khoản cách từ đỉnh xuất phát s đến v. - Đầu ra: Truoc[v] để ghi nhận đỉnh đi trước v trong đường đi ngắn nhất từ s đến v. Bước 0 (khởi động): N0 = {s}; D0(v) = l(s, v); với v không thuộc N0. Bước k (tính và cập nhật): Nk = Nk – 1 + {w}; Trong đó w thoả mãn biểu thức: Dk – 1 (w) = min[Dk – 1 (v)] với v không thuộc Nk – 1 Cập nhật: Với mọi v không thuộc Nk: Dk(v) = min[Dk – 1 (v), Dk – 1 (w) +l(w, v)] Kiểm tra điều kiện lặp: Nếu Nk khác với V thì lặp bước k + 1 ngược lại thì dừng quá trình tính toán. 3.1.3.3 Định tuyến phân lớp. Giao thức định tuyến phân lớp thực hiện tuần tự các phương pháp vector khoảng cách để tính toán tuyến. Các mặt nạ định tuyến không phát hành trên mạng theo chu kỳ. Khi sử dụng giao thức định tuyến phân lớp, tất cả các mạng con trên cùng một mạng chính (lớp A,B,C) cùng dùng chung một mặt nạ mạng. Tuỳ thuộc vào các gói tin cập nhật định tuyến, bộ định tuyến chạy giao thức định tuyến phân lớp theo một trong các phương pháp sau: Nếu thông tin định tuyến trong cùng một mạng và được cấu hình trên cùng một giao tiếp nhận tin, bộ định tuyến đặt mặt nạ mạng được cấu hình trên mặt nạ nhận. Nếu thông tin định tuyến nằm trên mạng khác cũng được cấu hình trên mặt nhận, bộ định tuyến sẽ áp dụng mặt nạ ngầm định (theo lớp địa chỉ). Các Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 36
37. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS giao thức định tuyến phân lớp như RIPv1 và IGRP, chuyển đổi tuyến trên mạng con trong cùng một mạng. Điều này là có thể vì tất cả các mạng con trong một mạng lớn là có cùng một mặt nạ mạng và cùng một mặt nạ định tuyến. Khi tuyến được trao đổi với mạng lân cận, các thông tin về mạng con cũng sẽ được chuyển theo, vì mặt nạ định tuyến của các mạng khác sẽ không được biết. Kết quả, các thông tin về mạng làm việc từ mạng này có thể tổng kết (sumerized) thành đường biên phân lớp nhờ sử dụng mặt nạ định tuyến ngầm định cập nhật vào bảng định tuyến. Tạo ra tuyến tổng kết (sumary) tại đường biên của mạng chính được xử lý tự động bởi các giao thức định tuyến phân lớp. Tổng kết tại các điểm khác trong mạng không được thực hiện bởi các giao thức định tuyến phân lớp. Khi thực hiện phân lớp mạng con tại điểm chuyển tiếp với các giao thức định tuyến phân lớp, cần phải chú ý cài đặt các mặt nạ mạng con tới tất cả các giao tiếp trong vùng định tuyến phân lớp. Điều này yêu cầu các bộ định tuyến mạng con phải được phát hành chính xác. Sử dụng mặt nạ mạng con có những nhược điểm từ góc độ chỉ định vùng địa chỉ hiệu quả. Với 27 bit mặt nạ, chỉ ra số host khoảng 30 trạm trên mỗi một phân đoạn Ethernet, không phải tất cả 30 host cùng được sử dụng trên đường liên kết nối tiếp (S0,S1). 3.1.3.4 Định tuyến không phân lớp. Các giao thức định tuyến không phân lớp gồm các mặt nạ định tuyến với các hướng phát hành (advertisement). Giao thức định tuyến không phân lớp được coi như là các giao thức định tuyến thế hệ tiếp theo của các giao thức định tuyến phân lớp, vì nó được thiết kế để đánh địa chỉ nhằm giới hạn của các giao thức định tuyến phân lớp. Một trong những giới hạn cơ bản nhất của định tuyến phân lớp là mặt nạ định tuyến không được trao đổi trong quá trình xử lý cập nhật định tuyến, yêu cầu cùng một mặt nạ định tuyến cho tất cả các mạng làm việc. Các giới hạn khác của giao thức định tuyến phân lớp tiếp cận như một nhu cầu tổng kết các mạng phân lớp. Với các mặt nạ định tuyến ngầm định tại đường biên mạng. Trong môi trường không phân lớp, xử lý tổng kết được điều khiển nhân công và có thể xác định bất cứ một vị trí bit nào trên mạng. Các giao thức định tuyến không phân lớp sử dụng cập nhật lập tức để học các sự thay đổi topo mạng. Để điều khiển nội dung bảng định tuyến, các hướng tổng kết có thể được tạo ra. Thiết kế phân cấp sử dụng OSPF cho phép tổng kết tại bất kỳ bit nào, nhưng giới hạn cấu hình tổng kết trên một số loại thiết bị đặc biệt, như các bộ định tuyến đường biên vùng. Vì các hướng mạng con được chuẩn bị qua vùng định tuyến, các tổng kết được yêu cầu để giữ kích thước bảng định tuyến. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 37
38. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS 3.1.3.5 Định tuyến trên cơ sở QoS. Giao thức định tuyến trên cơ sở QoS cố gắng tạo nhiều phép đo vào tài nguyên khi xây dựng bảng chuyển tiếp của mạng. Giao thức này đã từng được nghiên cứu trong nhiều năm và thường bắt đầu bằng một sự thừa nhận rằng mạng được xây dựng từ các router IP nỗ lực tối đa. Bắt đầu từ sự thừa nhận này định tuyến đơn thông số dường như có một số hạn chế khi thừa nhận đáp ứng nhu cầu QoS cố định của môi trường đa dịch vụ. Một thông số có thể được xem là một loại giá trị và mỗi kết nối (chặng) có một giá trị tương ứng. Giao thức định tuyến nỗ lực tìm kiếm những đường dẫn với tổng giá trị của tất cả các kết nối từ nguồn đến đích có thể là nhỏ nhất. Tuy nhiên giá trị này không thể là đại diện đáng quan tâm và cần thiết cho tất cả các loại lưu lượng. Phải chăng nó đại diện cho trễ của đường liên kết, băng thông, khả năng mất gói hoặc có thể là chi phí hiện tại cho việc gởi gói qua đường liên kết đó. Chọn lựa một trong số đó chúng ta sẽ đạt được một số lựa chọn phù hợp việc tìm kiếm lưu lượng, trong khi đó sự lựa chọn lưu lượng khác là lãng phí tài nguyên. Chẳng hạn, một mạng xem trễ là một thông số. Đường dẫn ngắn nhất lúc này phù hợp với các ứng dụng có yêu cầu thời gian thực chặt chẽ. Nhưng chúng không đơn lẻ. Mạng cũng hoàn toàn có thể được sử dụng các ứng dụng dữ liệu bùng nổ truyền thống mà sự quan tâm tới nó ít hơn là trễ. Lưu lượng từ các ứng dụng khác này cũng đi theo các đường dẫn ngắn nhất với trễ nhỏ nhất, thêm tải trọng vào các router nỗ lực tối đa dọc theo đường dẫn. Một tác động không thuận lợi là lưu lượng bùng nổ chiếm cùng không gian hàng đợi được sử dụng bởi lưu lượng thời gian thực, sự tăng lên của jitter và trễ trung bình bởi tất cả các lưu lượng qua các router. Cách tiếp cận này cũng gây ảnh hưởng đến sự chính xác của giá trị trễ mà giao thức định tuyến sử dụng để quyết định đường dẫn ngắn nhất. Định tuyến trên cơ sở QoS tạo nhiều cây đường dẫn ngắn nhất bao gồm đồ hình hiện thời của các router và các đường liên kết với mỗi cây sử dụng một tổ hợp tham số khác nhau như đơn vị kết nối. Mục tiêu là giảm thiểu sự cùng tồn tại không cần thiết trong router của lưu lượng với yêu cầu QoS mở rộng khác. Các gói với yêu cầu trễ nghiêm ngặt sau đó được chuyển tiếp bằng cách sử dụng cây được xây dựng với trễ như là một thông số. Các gói không yêu cầu thời gian thực có thể xây dựng cây theo kiểu khác (chẳng hạn như giảm giá trị cuối cùng của đường dẫn tới mức cực tiểu). Một vài vấn đề thực tế tồn tại trong việc định tuyến trên cơ sở QoS là: - Mỗi router cần có nhiều bảng chuyển tiếp (hoặc chức năng tương tự) trên đó biểu diễn chỉ dẫn chặng tiếp theo trên cơ sở địa chỉ đích của mỗi gói. Mỗi chỉ dẫn có một loại cây ngắn nhất. Các trường thêm vào trong tiêu đề gói được sử dụng để chọn một chặng tiếp theo có thể kết hợp với địa chỉ Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 38
39. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS đích của gói. Điều này gây khó khăn cho việc thiết kế cơ chế truyền dẫn chặng tiếp theo. - Một sự tăng lên trong giao thức định tuyến trên xuất hiện bởi vì công việc của router phải chịu đựng một đặc thù của mỗi giao thức cho mỗi cây ngắn nhất duy nhất. Yêu cầu làm cho thời gian tập trung gói của router trong mạng tăng lên một khoảng thời gian ngắn nào đó (chẳng hạn khi các kết nối đến hoặc đi hoặc giá trị của chúng thay đổi) thời gian tập trung tăng lên nhiều hơn nếu giao thức định tuyến được yêu cầu tính toán cây dựa trên nhiều thông số cùng một lúc. - Các thông số như trễ hoặc băng thông khả dụng phụ thuộc nhiều vào lưu lượng hiện thời đi qua mạng. Một cây đường dẫn ngắn nhất xây dựng với giá trị trễ được định hình một cách cố định có thể trở nên lỗi thời khi lưu lượng bắt đầu chảy qua mạng. Không có quy ước cho việc cập nhật giá trị mỗi kết nối với các số đo thời gian thực hợp lệ, tạo ra một sự lo sợ lý thuyết điều khiển thực - mọi giá trị cập nhật có thể là kết quả tính toán lại cây đường dẫn ngắn nhất kết hợp dẫn đến việc tiếp tục xử lý tải trọng trên tất cả các router. Điều thú vị là sự phát triển của các router với kiến trúc CQS ở một mức độ nào đó làm giảm nhu cầu định tuyến trên cơ sở QoS. Ví dụ sử dụng trễ như một thông số giá trị. Bây giờ chú ý rằng với mọi router có ít nhất hai hàng đợi trên một giao diện đầu ra. Một cho lưu lượng nhạy cảm với trễ, một cho tất cả các lưu lượng còn lại. Tất cả các lưu lượng đều được định tuyến theo đường dẫn với trễ thấp nhất. Thừa nhận các router phân loại lưu lượng phù hợp vào hai hàng đợi đó, dịch vụ nhận được với lưu lượng nhạy cảm với trễ không phụ thuộc vào sự bùng nổ của tất cả các loại lưu lượng khác. Điều đó chứng tỏ một số quy ước về giao thức định tuyến IP đơn thông số khi kết hợp với các router dựa vào kiến trúc QoS có thể chịu đựng được nhiều mức khác nhau của dịch vụ. Điều chủ yếu được nói ở đây là khả năng thích đáng tồn tại dọc theo một cây đơn để cung cấp tất cả những người tham gia. 3.2 Cấu trúc router Một router thông thường có các khối chứ năng cơ bản sau (xem hình 3.6): - Khối đa giao diện. - Khối chuyển tiếp. - Khối quản lý. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 39
40. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS , Các cập nhật nội bộ Khối quản lý Số liệu thống kê, bản bản tin tới các router tin từ các router khác khác In put In put Out put Out put Khối chuyển tiếp In put In put Out put Out put Hình 3.6: Cấu trúc chung của router Giao diện vào nhận các gói đến từ các router khác, và khối chuyển tiếp chuyển các gói tới giao diện ra phù hợp (dựa vào địa chỉ đích của mỗi gói). Mỗi giao diện sau đó sử dụng các cơ chế kết nối riêng để truyền dẫn các gói tới các router (hoặc host) kế tiếp dọc theo đường dẫn. Khi một router cho rằng nghẽn nội đang tăng lên một cách thất thường, các gói có thể bị loại bỏ hoặc bị đánh dấu như là một điều kiện chỉ rõ trạng thái này tới các mạng xung quanh nó. Hoạt động của từng gói trong khối chuyển tiếp (chọn giao diện đầu ra và đáp ứng nghẽn) chủ yếu được điều khiển bởi khối quản lý. Khối chuyển tiếp dựa vào một bảng FIB (Forwording Information Base) để chuyển các gói tới đầu ra phù hợp. Với mọi địa chỉ đích có thể, một sự tìm kiếm xác nhận tiền tố dài nhất được định dạng qua FIB. Nếu một xác nhận được tìm thấy, lối vào tương ứng chỉ cho khối chuyển tiếp biết giao diện đầu ra nào có thể nhận gói. Nếu không tìm thấy có nghĩa là gói bị rớt. Nội dung của FIB phản ánh trạng thái hiện tại của cấu trúc mạng IP xung quanh router, được xác định bởi các giao thức định tuyến IP – chẳng hạn như Giao thức OSPF (Open Sortest Path First) và Giao thức cổng biên phiên bản 4 (BGP4: Border Gateway Protocol version 4) - chạy trên khối quản lý. Chú ý: việc biết cấu trúc mạng xung quanh cho phép một FIB của chặng kế tiếp nhận được từ việc tính cây đường dẫn ngắn nhất và từ đó biết tất cả các đích/tiền tố. Rõ ràng hình 3.6 là một mô hình có tính trừu tượng cao. Các router điển hình ban đầu thường có một CPU trung tâm riêng để điều khiển tất cả các chức năng quản lý và chuyển tiếp gói. Từ khi các router phát triển theo hướng cấu trúc phân tán, tất cả các thiết kế đều nhằm loại bỏ hoặc giảm ảnh hưởng của hiện tượng thắt nút chai. Trong các router backbone, khối chuyển tiếp được phân Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 40
41. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS phối giữa các mẫu card giao diện nối liền với nhau bởi cơ cấu chuyển mạch tốc độ cao hoặc một mặt bằng phía sau [KLS98][KESH98][DSRTER]. Tuy nhiên, tất cả các router có trình tự các bước chung mà một gói phải đi qua trong khi xử lý gói. Ngày nay, QoS trở nên quan trọng, quá trình chuyển tiếp được thiết kế lại nhằm mang lại thuật lợi hơn khi router gửi gói. Hình 3.7 cho ta một cái nhìn tổng quan về quá trình xử lý xảy ra trong khối chuyển tiếp trong hình 3.6. Thông thường, một gói phải trải qua ba giai đoạn chính sau: - Phân loại và tìm kiếm FIB (thiết lập nhận dạng gói và tìm giao diện đầu ra). - Kiểm soát và đánh dấu (phản ánh lại trong trường hợp gói không đến trong một khung thời gian phù hợp). - Xếp hàng và lập thời gian biểu (chuyển tiếp gói tới các kết nối chia sẻ hay quy tắc định hình lưu lượng hoặc loại bỏ nó khỏi quy tắc điều khiển nghẽn). Giai đoạn phân loại gói sử dụng router để thiết lập trường hợp tổng quát cho các gói đến sau. Mặc dù hầu hết trường hợp đó được sử dụng để thiết lập đặc tính điều khiển thời gian (kiểm soát, đánh dấu, xếp hàng và lập lịch), một vài trường hợp thêm vào có thể được sử dụng để thay đổi quyết định chuyển tiếp. Chẳng hạn, một router tiên tiến có thể hỗ trợ nhiều FBI (đại diện cho cây đường dẫn ngắn nhất dựa trên đơn vị khác) và lựa chọn giữa chúng, bằng cách sử dụng các thông tin khác trong phần tiêu đề của gói (như địa chỉ nguồn chẳng hạn). Một cách tương tự hay tối thiểu một mối quan hệ đóng thường tồn tại giữa một trường hợp của một gói (thiết lập qua một phân loại gói) và các loại của nó. Output Forwarding Interface Table (s) Policing & Switch Queuing & FBI Marking Fabric Scheduling FBI FBI FBI Packet Tình huống gói ảnh hưởng đến quá trình sau Input Classification Interface IP header IP payload Hình 3.7: Quá trình xử lý gói trong khối chuyển tiếp. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 41
42. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS 3.3 Kiến trúc CQS Trên đây chúng ta đã tìm hiểu một kiến trúc chung của router, kiến trúc này đã từng được sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông nói chung và mạng Internet nói riêng. Tuy nhiên với sự phát triển mạng lưới viễn thông nhanh chóng và rộng khắp hiện nay đòi hỏi phải tăng cường khả năng xử lý, và tăng tốc độ cho các router, cũng như cần phải đưa thêm vào các đặc tính mới nhằm quản lý lưu lượng một cách linh hoạt và mềm dẻo hơn đồng thời đáp ứng được đầy đủ yêu cầu QoS của các loại lưu lượng dịch vụ mới. Ở đây chúng ta đề cập đến một kiến trúc đó là kiến trúc CQS. Đây là một kiến trúc mới được đưa vào router nhằm nâng cao khả năng quản lý của router đồng thời tăng khả năng giải quyết vấn để tắc nghẽn xảy ra ở router và nó chỉ có trong mạng dịch vụ khác biệt. Kiến trúc này được cho như hình vẽ 3.8: Classify Queue Port 1 Queue Schedule Queue Port N Queue Hình 3.8: Kiến trúc CQS. Theo kiến trúc này, các gói đến được phân loại theo độ ưu tiên hoặc theo một tiêu chí nào đó rồi chúng được cho vào các hàng đợi tương ứng khác nhau. Cuối cùng, các hàng đợi phải chia sẻ tất cả khả năng của kết nối đầu vào mà chúng đưa vào. Nhu cầu này bao hàm việc thêm vào một cơ chế lập lịch để xen các gói từ mỗi hàng đợi và như vậy các kết nối truy cập vào một cách có khả năng dự đoán và điểu khiển được. Phân loại Cơ chế phân loại gói của một router ảnh hưởng trực tiếp đến nhân tố mà nó có thể tách các lớp hoặc các loại lưu lượng IP khác nhau. Trong thực tế, tình trạng của một gói tin phụ thuộc vào cả hai thông tin được mang bởi chính bản thân gói và thông tin tình hình mạng nhận được từ giao diện của nó (có thể là chặng tiếp theo của nó được quyết định từ việc tìm kiếm FIP). Việc phân loại dựa trên các khoá phân loại và các quy tắc phân loại. Khoá phân loại mà một nhóm N bit trong tiêu đề gói tin. N bit này có thể phân biệt được 2 N loại (hoặc lớp) gói khác nhau. Quá trình kết hợp các khoá phân loại đòi hỏi phải dựa trên Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 42
43. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS những quy tắc nhất định. Các quy tắc chỉ rõ sự kết hợp các khoá đó được gọi là quy tắc phân loại. Một khóa không thể dài tuỳ ý - bộ nhớ của một router bắt buộc phải giới hạn số lượng thông tin trạng thái mà nó có thể lưu giữ để nhận biết lớp. (Tuy nhiên ý nghĩa của các bit tồn tại trong trường phân loại có thể ít hơn nhiều so với 2 N trường hợp để giải quyết). Thời gian xử mỗi gói kết hợp trong từng bước phân loại cũng tăng lên theo chiều dài khóa (mặc dù không phải luôn theo đường thẳng), điều đó có thể làm giảm hiệu suất của router. Mặt khác một khoá không thể quá ngắn – 2 N phải bằng hoặc lớn hơn giá trị cực tiểu của lớp lưu lượng yêu cầu bởi mạng đã được thiết kế. Ngoại trừ các trường đã được phân loại, giai đoạn phân loại phải có khả năng giữ được tốc độ nhận gói đỉnh [KLS98]. Cho đến khi trạng thái của gói được thiết lập, thì hàng đợi cụ thể không được cung cấp. Khi mà giai đoạn phân loại chậm hơn tốc độ nhận gói thì hàng đợi FIFO xuất hiện trước giai đoạn phân loại. Hầu hết các sơ đồ phân loại hỗn hợp điển hình sử dụng một khoá bao gồm nhiều trường trong tiêu đề gói IP được chú giải như là phân loại đa trường (MF). Khoá này có thể thêm một vài hoặc tất cả các trường thường định nghĩa một luồng IP – thông thường là địa chỉ nguồn và địa chỉ đích, trường giao thức, và chỉ số cổng TCP/UDP nguồn và đích. Phân loại MF cung cấp số lượng lớn nhất các trường hợp cho các giai đoạn xử lý kế tiếp của router. Tuy nhiên, khi một người thiết kế mạng tin rằng chỉ một số lớp lưu lượng nhỏ cần phân biệt tại một vài chặng cho trước, giải pháp thường được ấn định cho một nhóm bit tại một vị trí cố định trong tiêu đề gói được phân loại. Octet ToS của IPv4, octet TC của IPv6 và trường dịch vụ khác biệt hoàn toàn phù hợp trong trường hợp này. Quản lý hàng đợi Mọi lớp lưu lượng có yêu cầu đặc điểm lập lịch riêng phải được đặt trong chính hàng đợi của nó với mỗi gói trực tiếp tới hàng đợi thích hợp sử dụng thông tin tình huống thu thập được từ tầng phân loại trước đó. Không có các hàng đợi riêng biệt nó không thể có khả năng cho tầng lập lịch sau phân biệt giữa nhiều lớp lưu lượng cạnh tranh một đường kết nối đơn. Một chức năng bộ quản lý hàng đợi đó là chịu trách nhiệm thiết lập và duy trì hàng đợi và phương thức hàng đợi trong router. Chức năng này bao gồm bốn hoạt động cơ bản: - Thêm một gói vào hàng đợi được chỉ rõ bằng tình huống của gói (như được thiết lập trong tầng phân loại) nếu hàng đợi không đầy. - Loại bỏ một gói nếu hàng đợi đầy. - Loại bỏ một gói khi được yêu cầu bởi bộ lập lịch. - Giám sát lựa chọn sự chiếm dụng hàng đợi (số gói hoặc byte chiếm dụng hàng đợi) và dựa vào một trong các bước thực hiện sau để giữ mức chiếm dụng thấp: + Loại bỏ một gói (hoặc không chọn thêm một gói) khi hàng đợi đã đầy + Đánh dấu một gói khi hàng đợi bắt đầu đầy. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 43
44. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS Tại một vài điểm mọi hàng đợi công bố đầy (thậm chí trong khi không gian có sẵn cho hàng đợi khác tăng lên) để đảm bảo rằng không một lớp lưu lượng nào dùng tất cả không gian nhớ hạn chế của router để tạo hàng đợi. Tuy nhiên, phải đảm bảo không một hàng đợi nào bị bỏ đói. Thêm vào đó một vài độ chiếm dụng trung bình của hàng đợi đặc thù được giữ ở mức thấp. Việc quản lý hàng đợi tích cực có thời hạn thường áp dụng phương pháp giám sát và điều khiển độ chiếm dụng hàng đợi trung bình. Độ chiếm dụng trung bình thấp có hai lợi ích: - Tồn tại các hàng đợi tiêu thụ sự bùng nổ lưu lượng không thể tránh khỏi mà không làm mất gói. Hoạt động với một độ chiếm dụng trung bình cao làm giảm không gian sẵn có để tiêu thụ sự bùng nổ. - Trễ trung bình được bỏ qua bởi sự phân chia lưu lượng một hàng đợi cho trước tăng lên cùng với sự tăng độ chiếm dụng hàng đợi. Giữ cho độ chiếm dụng giảm giúp giữ cho trễ end – to – end giảm. Lập lịch Lập lịch điều khiển đặc trưng thời gian của việc lưu thoát gói khỏi mỗi hàng đợi - thường tại giao diện đầu ra hướng tới router hoặc host tiếp theo, nhưng 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. Như 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 được. 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. Chia sẻ kết nối đạt được một sự sắp xếp lịch bởi khi nào và xảy ra như thế nào, các gói được kéo ra khỏi hàng đợi và truyền đi. Bởi vì tình huống của một gói (hoặc một lớp lưu lượng) điều khiển hàng đợi nào mà nó được đặt trong đó, bộ lập lịch chủ yếu cưỡng chế quyền ưu tiên tương đối, hạn chế trễ, hoặc băng thông chủ định giữa các lớp lưu lượng 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 được lấy ra khỏi hàng đợi có quan hệ với các lớp đó một cách thông thường. Một bộ lập lịch cũng có thể cung cấp định hướng tốc độ (lợi dụng băng thông được phép cực đại cho lớp đặc biệt). Bằng cách giới hạn tần số trong hàng đợi của lớp nào được phục vụ phụ thuộc vào thiết kế của một bộ lập lịch, nó có thể áp đặt hai giới hạn băng thông dưới và trên trên mỗi hàng đợi hoặc áp đặt giới hạn trên cho một số hàng đợi và giới hạn dưới cho một số hàng đợi khác. Các thuật toán lập lịch thường thoả thuận giữa sự thực hiện đơn giản và đặc trưng thời gian mong muốn. Tất cả các thiết kế bộ lập lịch có những kiểu dịch vụ đặc trưng của riêng nó – cách mà nó lựa chọn hàng đợi dịch vụ. Bộ lập lịch đơn giản nhất tập trung vào hàng đợi phục vụ trong một số hàng đợi dự đoán trước, việc tập trung vào dịch vụ khoảng cách hơn là công suất thu được. Các bộ Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 44
45. Đồ án tốt nghiệp Đại học Kiến trúc CQS lập lịch tiên tiến hơn cho phép tương đối hoặc toàn bộ băng thông để thiết lập cho mỗi hàng đợi và chúng tiếp tục lắp ráp vào các kiểu dịch vụ của chúng để đảm bảo băng thông trung bình hoặc trễ đạt được bởi mỗi hàng đợi giới hạn trong cấu hình. Phần tiếp theo chúng ta nghiên cứu các chiến lược quản lý hàng đợi sử dụng kiến trúc CQS. Và mặc nhiên từ đây chúng ta thừa nhận các router đều có kiến trúc CQS. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 45
46. Đồ án tốt nghiệp Đại học Ứng dụng kiến trúc CQS cho quản lý nghẽn trong mạng IP CHƯƠNG IV - ỨNG DỤNG KIẾN TRÚC CQS CHO QUẢN LÝ NGHẼN TRONG MẠNG IP 4.1 Tại sao phải quản lý nghẽn. Các mạng hỗn hợp thêm vào nhiều giao thức khác nhau sử dụng bởi các ứng dụng, việc tăng nhu cầu lưu lượng ưu tiên theo thứ tự các ứng dụng thời gian chặt chẽ thích hợp trong khi vẫn sử dụng các nhu cầu của các ứng dụng phụ thuộc thời gian ít hơn như dịch vụ truyền file. Các loại lưu lượng khác nhau chia sẻ một đường dữ liệu qua mạng có thể ảnh hưởng lẫn nhau theo cách mà nó tác động tới sự thực hiện ứng dụng của chúng. Nếu mạng được thiết kế để hỗ trợ các loại lưu lượng khác nhau nhằm chia sẻ một đường dữ liệu đơn giữa các router chúng ta phải chú ý việc sử dụng kỹ thuật quản lý nghẽn để đảm bảo đối xử công bằng giữa các loại lưu lượng. Sau đây là một số nhân tố mở rộng cần chú ý để xác định có hoặc không định hình QoS quản lý nghẽn: Mức ưu tiên lưu lượng đặc biệt quan trọng cho các ứng dụng tác vụ, nhạy cảm với trễ - ví dụ hội nghị truyền hình nhiều bên – Các ứng dụng này yêu cầu mức ưu tiên cao hơn các ứng dụng truyền file. Tuy nhiên, sử dụng WFQ đảm bảo rằng tất cả các lưu lượng được đối xử một cách công bằng theo trọng số của nó và trong một cách linh động. Chẳng hạn, WFQ sử dụng nhu cầu của ứng dụng tác động lẫn nhau mà không kể đến ứng dụng truyền file. Mức ưu tiên có hiệu quả tốt nhất trên các kết nối WAN mà ở đó tổ hợp lưu lượng bùng nổ và tốc độ thấp hơn tương đối có thể dẫn nghẽn ngắn hạn. Phụ thuộc vào kích thước gói trung bình, mức ưu tiên có hiệu quả tốt nhất khi áp dụng cho các kết nối T1/E1 hoặc các kết nối có tốc độ thấp hơn. Nếu người dùng các ứng dụng đang chạy qua mạng thấy rằng không đủ thời gian đáp ứng, chúng ta phải chú ý sử dụng đặc tính quản lý nghẽn. Đặc tính quản lý nghẽn là rất linh động. Tuy nhiên, cần phải chú ý nếu một kết nối WAN bị nghẽn liên tục thì mức ưu tiên lưu lượng có thể không giải quyết được vấn để. Thêm băng thông vào có thể là giải pháp phù hợp. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 46
47. Đồ án tốt nghiệp Đại học Ứng dụng kiến trúc CQS cho quản lý nghẽn trong mạng IP 4.2 Các chiến lược quản lý nghẽn sử dụng kiến trúc CQS. 4.2.1 Các chiến lược quản lý nghẽn sử dụng hàng đợi 4.2.1.1 Chiến lược hàng đợi FIFO Trong một dạng đơn giản hàng đợi FIFO (còn được biết đến như là hàng đợi first-come, first-served: FCFS) bao hàm việc đệm và chuyển tiếp các gói theo thứ tự khi chúng đến. FIFO không đưa ra khái niệm về mức ưu tiên hay loại lưu lượng và do đó không tạo ra quy định về mức ưu tiên gói. Chỉ có một hàng đợi và tất cả các gói được đối xử như nhau. Các gói được gửi ra khỏi giao diện theo thứ tự chúng đến. Khi FIFO được sử dụng, các nguồn đối xử kém (ill-behaved) có thể dùng tất cả băng thông, nguồn bùng nổ có thể gây ra trễ trong lưu lượng nhạy cảm với thời gian hoặc lưu lượng quan trọng và lưu lượng quan trọng có thể bị loại bỏ bởi lưu lượng quan trọng hơn chiếm đầy hàng đợi. Khi không có hàng đợi khác được cấu hình thì tất cả các giao diện ngoại trừ giao diện serial E1 (2,048 Mbps) và thấp hơn sử dụng FIFO một cách mặc định (giao diện serial E1 và thấp hơn sử dụng WFQ một cách mặc định). FIFO là một phương pháp hàng đợi nhanh nhất và nó có hiệu quả cho các kết nối lớn có ít trễ và nghẽn tối thiểu. Nếu kết nối rất ít bị nghẽn thì chỉ cần dùng hàng đợi FIFO là đủ. 4.2.1.2 Chiến lược hàng đợi cân bằng trọng số (WFQ) Phần này trình bày ba loại hàng đợi WFQ sau: Flow-Based Weighted Fair queuing (WFQ) VIP-Distributed Weighted Fair queuing (DWFQ) Class-Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ) Phần này cũng trình bày các đặc trưng liên quan sau: IP RTP Priority Frame Relay IP RTP Priority Hàng đợi trễ thấp (Low Latency Queuing) Flow-Based Weighted Fair Queuing WFQ là một phương pháp lập lịch linh hoạt cung cấp sự phân phối băng thông cân bằng tới tất cả lưu lượng mạng. WFQ áp dụng quy tắc ưu tiên hoặc trọng số để nhận dạng cũng như phân loại lưu lượng các cuộc thoại và xác định lượng băng thông bao nhiêu để cấp cho mỗi cuộc thoại sao cho nó cân đối với các cuộc thoại khác. WFQ là một thuật toán trên cơ sở luồng lập lịch đồng thời lưu lượng tương tác trước hàng đợi để giảm thời gian đáp ứng và chia sẻ cân bằng băng thông còn lại cho các luồng băng thông cao. Nói một cách khác, Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 47
48. Đồ án tốt nghiệp Đại học Ứng dụng kiến trúc CQS cho quản lý nghẽn trong mạng IP WFQ cho phép cả lưu lượng dung lượng thấp, như các phiên Telnet, và ưu tiên lưu lượng dung lượng cao, như các phiên FTP. WFQ cho phép truyền file đồng thời sử dụng dung lượng kết nối cân bằng; nghĩa là khi truyền nhiều file xảy ra, thì việc truyền được cấp băng thông có khả năng so sánh được. Hình 4.1 biểu diễn quá trình làm việc của WFQ. Hàng đợi Các gói ra Các gói vào truyền dẫn Phân loại Lập lịch cân bằng trọng số Số lượng cấu hình của hàng đợi Flow-base Classification: Các tài nguyên bộ Xác định trọng số bằng: Địa chỉ nguồn và địa đệm hàng đợi QoS yêu cầu (IP Precedence, chỉ đích RSVP) Giao thức Nghịch đảo độ thông qua mức Bộ nhận dạng phiên luồng (cổng/socket) Frame Relay FECN, BECN, DE (cho lưu lượng Frame Relay) Hình 4.1: Weighted Fair Queuing WFQ khắc phục một loạt các hạn chế của hàng đợi FIFO. Khi FIFO có hiệu quả, lưu lượng được gửi đi theo thứ tự nó nhận được mà không kể việc tiêu thụ băng thông hay trễ kết hợp. Kết quả là truyền file và các ứng dụng mạng dung lượng cao khác thường tạo ra chuỗi các gói dữ liệu kết hợp. Các gói liên quan này được biết đến như là các dòng gói. Các dòng gói là các nhóm gói có khuynh hướng cùng nhau đi qua mạng. Các dòng gói này có thể chiếm tất cả băng thông khả dụng, và lấy đi băng thông của các luồng lưu lượng khác. WFQ cung cấp việc quản lý mức ưu tiên lưu lượng một cách năng động vào bản tin cho một cuộc thoại. WFQ làm đứt dòng gói trong một cuộc thoại để đảm bảo rằng băng thông được chia sẻ một cách cân bằng giữa các cuộc thoại riêng và lưu lượng dung lượng thấp đó được truyền đi trong một thời gian có hiệu lực. WFQ phân loại lưu lượng vào các luồng khác nhau dựa vào địa chỉ tiêu đề gói, bao gồm các đặc tính như địa chỉ mạng nguồn và mạng đích hay địa chỉ MAC, giao thức, cổng nguồn, cổng đích, chỉ số phiên bản, giá trị nhận dạng kết nối data-link Frame Relay và giá trị ToS. Có hai loại luồng lưu lượng: phiên băng thông cao và phiên băng thông thấp. Lưu lượng băng thông thấp có mức ưu tiên hiệu quả trên lưu lượng băng thông cao, và lưu lượng băng thông cao chia sẻ dịch vụ truyền dẫn cân xứng theo trọng số đã được ấn định. Luồng lưu lượng băng thông thấp gồm phần lớn lưu lượng, dịch vụ ưu đãi nhận được, cho Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 48
49. Đồ án tốt nghiệp Đại học Ứng dụng kiến trúc CQS cho quản lý nghẽn trong mạng IP phép toàn bộ tải trọng được phép đi vào được gửi trong thời gian thích hợp. Luồng lưu lượng dung lượng cao chia sẻ dung lượng còn lại một cách cân bằng. WFQ đặt các gói của các cuộc thoại khác nhau vào các hàng đợi cân bằng trước khi truyền dẫn. Thứ tự di chuyển từ các hàng đợi cân bằng được xác định bởi thời gian thực sự của giá trị bit cuối cùng của mỗi gói đến. Các bản tin mới cho các luồng băng thông cao được loại bỏ sau khi ngưỡng bản tin tắc nghẽn được xác định. Tuy nhiên, các luồng băng thông thấp bao gồm các bản tin điều khiển cuộc thoại, thì được tiếp tục xếp vào dữ liệu. Kết quả là hàng đợi cân bằng đôi khi có thể chứa nhiều bản tin hơn theo lý thuyết theo chỉ số ngưỡng. WFQ có thể quản lý các luồng dữ liệu kép, như là các luồng dữ liệu giữa các cặp ứng dụng, và luồng dữ liệu đơn như voice hay video. Thuật toán WFQ cũng nhằm vào vấn đề tính chất trễ quay vòng biến thiên. Nếu nhiều cuộc thoại dung lượng lớn cùng hoạt động, thì tốc độ truyền và thời gian đến được tạo ra nhiều khả năng dự đoán. WFQ nâng cao các thuật toán như là các kiến trúc mạng hệ thống (SNA: Systems Network Architecture), điều khiển kết nối logic (LLC: Logical Linhk Control) và điều khiển nghẽn TCP và đặc trưng bắt đầu chậm. Flow-Base WFQ được sử dụng như một phương thức hàng đợi tuỳ chọn trên hầu hết các giao diện serial được cấu hình để hoạt động ở hoặc thấp hơn tốc độ luồng E1. WFQ cung cấp giải pháp cho tình huống mong muốn cung cấp thời gian đáp ứng phù hợp cho các người dùng mạng khác nhau mà không thêm lượng băng thông dư thừa. WFQ tự động thích nghi với điều kiện lưu lượng mạng thay đổi. Hạn chế WFQ không hỗ trợ tunneling và mật mã hoá bởi vì đặc tính này làm thay đổi thông tin nội dung gói mà WFQ yêu cầu cho việc phân loại. WFQ và Ưu tiên IP WFQ nhận biết mức ưu tiên IP. Nó có thể nhận ra các gói ưu tiên cao được đánh dấu quyền ưu tiên bởi bộ chuyển tiếp IP và có thể lập lịch cho chúng nhanh hơn, cung cấp thời gian đáp ứng cao hơn cho lưu lượng này. Và như vậy khi mức ưu tiên tăng lên, thì WFQ cấp nhiều băng thông hơn cho cuộc thoại trong suốt thời gian nghẽn. WFQ ấn định một trọng số cho mỗi luồng, nó xác định thứ tự truyền dẫn cho các gói được xếp hàng trong hàng đợi. Trong sơ đồ này, các trọng số thấp hơn được phục vụ trước. Với chuẩn WFQ Cisco IOS, mức ưu tiên IP phục vụ như là một bộ chia cho thừa số trọng số này. Giống như CQ, WFQ gửi một số byte nhất định từ mỗi hàng đợi. Với WFQ, mỗi hàng đợi phù hợp với một luồng khác nhau. Trong một chu kỳ qua tất cả Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 49
50. Đồ án tốt nghiệp Đại học Ứng dụng kiến trúc CQS cho quản lý nghẽn trong mạng IP các luồng, WFQ gửi đi một số byte ngang bằng với mức ưu tiên của luồng cộng với một. Số này chỉ được sử dụng như một tỷ số để xác định bao nhiêu byte/gói để gửi đi. Tuy nhiên, với mục đích để hiểu được WFQ, việc sử dụng số này như là số đếm byte có khả năng. Ví dụ, lưu lượng có giá trị trường ưu tiên IP là 7 nhận một trọng số thấp hơn lưu lượng có giá trị trường ưu tiên IP là 3, đó là, mức ưu tiên trong thứ tự truyền dẫn. Các trọng số là nghịch đảo của giá trị trường ưu tiên IP. Để xác định băng thông phân phối cho mỗi hàng đợi, ta chia tổng chỉ số đếm byte của tất cả các luồng cho chỉ số luồng. Chẳng hạn, nếu có một luồng thì ở mỗi mức ưu tiên, mỗi luồng sẽ nhận thêm mức ưu tiên + 1: 1+2+3+4+5+6+7+8 = 36 Như vậy lưu lượng có mức ưu tiên 0 sẽ nhận 1/36 của băng thông, lưu lượng có mức ưu tiên 1 sẽ nhận 2/36, và lưu lượng có mức ưu tiên 7 sẽ nhận 8/36. Tuy nhiên, nếu có 18 luồng mức ưu tiên 1 và các mức ưu tiên còn lại đều là một thì tổng chỉ số lúc này là: 1+2(18)+3+4+5+6+7+8 = 70 Lưu lượng mức ưu tiên 0 sẽ nhận 1/70, mỗi luồng mức ưu tiên 1 sẽ nhận 2/70, và cứ như vậy. Khi mỗi luồng được thêm vào hay bớt đi thì băng thông phân phối thực tế sẽ thay đổi một cách liên tục. WFQ với giao thức dành trước tài nguyên (RSVP) RSVP sử dụng WFQ để phân chia không gian bộ đệm, lập lịch các gói và đảm bảo băng thông cho các luồng dành trước. WFQ làm việc với RSVP để giúp cung cấp các dịch vụ QoS đảm bảo và khác biệt. RSVP là giao thức chuẩn Internet IETF cho phép một ứng dụng dành trước băng thông mạng một cách linh động. RSVP cho phép các ứng dụng yêu cầu một QoS riêng cho một luồng dữ liệu. Thực hiện đầy đủ Cisco cho phép RSVP được khởi đầu trong mạng sử dụng định hình proxy RSVP. RSVP là giao thức báo hiệu chuẩn duy nhất được thiết kế để đảm bảo băng thông mạng từ đầu cuối đến đầu cuối cho các mạng IP. Các host và các router sử dụng RSVP để thực hiệu yêu cầu QoS cho các router dọc đường dẫn của luồng dữ liệu và duy trì trạng thái router và host để cung cấp dịch vụ được yêu cầu, thường là băng thông và trễ. RSVP sử dụng một tốc độ dữ liệu trung bình, số lượng dữ liệu lớn nhất mà router sẽ duy trì trong hàng đợi, và QoS cực tiểu để xác định sự dành trước băng thông. WFQ hoặc Weighted Random Early Detection (WRED) hoạt động như là một sự chuẩn bị của RSVP, điều chỉnh phân loại và lập lịch gói yêu cầu cho các Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 50
51. Đồ án tốt nghiệp Đại học Ứng dụng kiến trúc CQS cho quản lý nghẽn trong mạng IP luồng dành trước. Sử dụng WFQ, RSVP có thể tạo ra một dịch vụ đảm bảo các dịch vụ tích hợp. WFQ và Frame Relay Trọng số WFQ được thực hiện bởi bit loại bỏ thích hợp Frame Relay, các bit khai báo nghẽn tường minh chuyển tiếp (FECN) và các bit khai báo nghẽn tường minh phản hồi khi lưu lượng được chuyển mạch bởi module chuyển mạch Frame Relay. Mỗi lần nghẽn được đánh dấu, các trọng số được sử dụng bởi thuật toán được biến đổi để cuộc thoại bắt gặp nghẽn gửi đi không thường xuyên. Những điều cần lưu ý: Mặc dù WFQ thích nghi một cách tự động với điều kiện lưu lượng mạng thay đổi, nó không đưa ra mức độ điều khiển rõ ràng trên sự phân phối băng thông mà CQ và CBWFQ đưa ra. VIP-Distributed Weighted Fair Queuing DWFQ là phiên bản tốc độ cao riêng của WFQ hoạt động trên VIP. Nó được hỗ trợ trên các router sau với một VIP2-40 hoặc một bộ xử lý giao diện lớn hơn: Các dãy Cisco 7000 với RSP7000 Các dãy Cisco 7500 Một bộ xử lý giao diện VIP2-50 được giới thiệu khi tốc độ dòng tập hợp của bộ thích ứng cổng trên VIP lớn hơn DS3. Một card VIP2-50 được yêu cầu cho các tốc độ OC-3. Để sử dụng DWFQ, thì chuyển mạch DCEF (Distributed Cisco Express Forwarding) phải được cho phép trên giao diện. Nhiều thông tin trên CEF được đưa vào chỉ dẫn cấu hình dịch vụ chuyển mạch Cisco IOS và tham khảo lệnh các dịch vụ chuyển mạch Cisco IOS. Chú ý: Việc thực hiện VIP-Distributed WFQ không giống như WFQ thực hiện trên tất cả các nền tảng khác. Có hai dạng của DWFQ đó là: Flow-Based DWFQ và Class-Based DWFQ Flow-Based DWFQ Với flow-based DWFQ, các gói được phân loại bởi luồng. Các gói có cùng địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, cổng TCP hoặc UDP nguồn, cổng TCP hoặc UDP đích, giao thức, và trường ToS thuộc cùng một luồng (Tất cả các gói không phải gói IP được xem như luồng 0). Mỗi luồng tương ứng với một hàng đợi đầu ra riêng biệt. Khi một gói được ấn định tới một luồng, nó được đặt vào hàng đợi của luồng đó. Trong suốt thời gian nghẽn, DWFQ phân phối sự chia sẻ băng thông ngang bằng nhau cho mỗi hàng đợi hoạt động. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 51
52. Đồ án tốt nghiệp Đại học Ứng dụng kiến trúc CQS cho quản lý nghẽn trong mạng IP Flow-based DWFQ cũng được gọi là hàng đợi cân bằng bởi vì tất cả các luồng được đánh trọng số một cách cân bằng và được phân chia băng thông cân bằng. Trong chiều hướng thực hiện của DWFQ, các trọng số không được ấn định cho các luồng. Với DWFQ, các host đối xử tốt được bảo vệ từ các host đối xử kém. Class-Based DWFQ Trong class-based DWFQ, các gói được ấn định tới các hàng đợi khác nhau dựa trên nhóm QoS của chúng hoặc mức ưu tiên IP trong trường ToS. Các nhóm QoS cho phép tuỳ chọn chính sách QoS. Một nhóm QoS là một phân loại nội của các gói được sử dụng bởi router để xác định những gói nào được đối xử bởi các đặc tính QoS nhất định, như là DWFQ và CBR (Committed Access Rate). Sử dụng việc truyền bá một chính sách CAR hoặc chính sách QoS qua BGP để ấn định các gói tới các nhóm QoS. Nếu muốn phân loại các gói chỉ dựa vào hai bit ưu tiên IP cấp thấp, thì sử dụng ToS-based DWFQ. Định rõ một trọng số cho mỗi lớp. Trong giai đoạn nghẽn, mỗi nhóm được cấp một phần trăm băng thông đầu ra ngang bằng với trọng số của lớp. Ví dụ, nếu một lớp được ấn định một trọng số là 50, các gói từ lớp này sẽ được cấp ít nhất 50% băng thông trong suốt giai đoạn nghẽn. Khi giao diện không bị nghẽn thì các hàng đợi có thể sử dụng một lượng băng thông khả dụng. Chính sách loại bỏ DWFQ duy trì dấu hiệu của số gói trong hàng đợi và tổng số gói trong các hàng đợi. Khi tổng số gói dưới mức giới hạn chung, thì các hàng đợi có thể đệm nhiều gói hơn giới hạn hàng đợi riêng. Khi tổng số gói đạt tới giới hạn chung thì giao diện bắt đầu cưỡng ép giới hạn các hàng đợi riêng. Một số gói mới đến khi một hàng đợi đã vượt quá giới hạn hàng đợi riêng của nó thì sẽ bị loại bỏ. Các gói đã ở trong hàng đợi sẽ không bị loại bỏ, ngay cả khi nếu hàng đợi vượt quá giới hạn riêng. Trong một số trường hợp, tổng số gói trong tất cả các hàng đợi đưa ra cùng nhau có thể vượt quá giới hạn chung. Những hạn chế Sử dụng DWFQ với lưu lượng IP. Tất cả lưu lượng không phải IP được đối xử như là một luồng đơn và trước đó được đặt trong cùng hàng đợi. DWFQ có một số hạn chế sau: Có thể được cấu hình trên giao diện nhưng không thể cấu hình trên giao diện con. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 52
53. Đồ án tốt nghiệp Đại học Ứng dụng kiến trúc CQS cho quản lý nghẽn trong mạng IP Không hỗ trợ bảo mật ATM AAL5-MUX và AAL5-NLPID. Không hỗ trợ trên kênh Ethernet nhanh, giao diện tunnel hay các giao diện logic khác như Multilink PPP (MLP). Không thể cấu hình trên giao diện tương tự như RSP-based PQ, CQ hoặc WFQ. Class-Based Weighted Fair Queuing CBWFQ đưa ra chức năng hoạt động WFQ chuẩn để cung cấp hỗ trợ cho các lớp lưu lượng người dùng tự định nghĩa. Với CBWFQ, chúng ta định nghĩa các lớp lưu lượng dựa trên các chuẩn phù hợp bao gồm các giao thức, danh sách điều khiển truy cập (ACLs: Access Control Lists) và các giao diện vào. Các gói thoả mãn chuẩn phù hợp cho một lớp tạo thành lưu lượng cho lớp đó. Một hàng đợi dành riêng cho mỗi lớp và lưu lượng thuộc một lớp được đưa thẳng tới hàng đợi cho lớp đó. Chỉ một lớp đã được định nghĩa theo chuẩn kết hợp của nó, chúng ta có thể ấn định các tham số của nó. Để mô tả một lớp, chúng ta ấn định băng thông, trọng số và giới hạn gói cực đại cho nó. Băng thông ấn định cho một lớp là băng thông đảm bảo cấp cho lớp trong thời gian nghẽn. Để mô tả một lớp chúng ta cũng chỉ rõ giới hạn hàng đợi cho lớp đó, đó là số gói tối đa cho phép tích tụ trong hàng đợi cho mỗi lớp. Các gói thuộc một lớp là đối tượng để băng thông và giới hạn hàng đợi mô tả lớp. Sau khi một hàng đợi đạt được giới hạn hàng đợi cấu hình của nó, việc xếp vào hàng đợi của các gói thêm vào sẽ dẫn tới việc bỏ phần đuôi hoặc bỏ gói, phụ thuộc vào chính sách lớp nào được cấu hình. Việc loại bỏ phần đuôi được sử dụng cho các lớp CBWFQ trừ khi chúng định hình chính sách cho một lớp một cách rõ ràng từ việc sử dụng WRED để loại bỏ các gói như là một phương tiện để tránh nghẽn. Chú ý rằng nếu sử dụng loại bỏ gói WRED thay vì việc loại bỏ phần đuôi cho một hoặc nhiều lớp bao gồm một bản đồ chính sách, thì phải đảm bảo WRED không được cấu hình cho giao diện mà chúng ta gắn cho chính sách dịch vụ đó. Nếu một lớp tuỳ chọn được cấu hình với lệnh cấu hình lớp bản đồ chính sách băng thông, thì tất cả lưu lượng không được phân loại được đặt vào một hàng đợi đơn và đưa ra việc giải quyết theo băng thông được cấu hình. Nếu một lớp lưu lượng mặc định được cấu hình với lệnh fair-queue, thì tất cả lưu lượng không được phân loại trở thành luồng được phân loại và giải quyết nỗ lực tối đa cho trước. Nếu không phải lớp lưu lượng mặc định được cấu hình, thì sau đó bằng cách ngầm định lưu lượng không kết hợp một số lớp được cấu hình là luồng được phân loại và giải quyết nỗ lực tối đa cho trước. Mỗi khi một gói được phân loại, tất cả các cơ chế tiêu chuẩn có thể được sử dụng để phân biệt dịch vụ giữa các lớp áp dụng. Nguyễn Hữu Liêm, Lớp D2001VT 53