Tải bản đầy đủ
4 Một số kỹ thuật hỗ trợ chất lượng dịch vụ

4 Một số kỹ thuật hỗ trợ chất lượng dịch vụ

Tải bản đầy đủ

30
- Những gói vượt quá mức quy định có thể bị huỷ hay đánh dấu đặc biệt.
Các bước trong việc định dạng lưu lượng:
- Lưu lượng được hạn chế tới một tốc độ cụ thể đảm bảo phù hợp với các chính
sách định ra cho nó.
- Những gói vượt quá mức quy định sẽ được xếp vào hàng đợi chứ không bị huỷ
hay đánh dấu giống như việc lập chính sách.
Có thể sử dụng định dạng lưu lượng để:
- Kiểm soát việc sử dụng băng thông hiện có.
- Thiết lập chính sách lưu lượng.
- Điều phối luồng lưu lượng để tránh tắc nghẽn.
Lập lịch: Lập lịch đặc trưng về điều khiển thời gian của việc lưu thoát gói khỏi
mỗi hàng đợi. Lập lịch liên quan mật thiết tới 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. 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. Bộ lập lịch tồn tại trong các router
có kiến trúc CQS, mỗi giao diện có một tầng bộ lập lịch chia sẻ khả năng chứa của kết
nối đầu ra giữa sự kết hợp các hàng đợi trong giao diện.
Bộ lập lịch chủ yếu 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.

31
Kết luận chương
Chương I nói về tổng quan chất lượng dịch vụ trong mạng IP. Trình bày khái
niệm chất lượng dịch vụ, với các thông số, các nguyên tắc với những đặc tính kỹ
thuật cơ chế của nó. Ngoài ra đề cập đến một số ứng dụng thực tế và phân tích các
yêu cầu khác nhau của chúng về chất lượng dịch vụ. Ở các chương sau sẽ trình bày
chi tiết hơn những vấn đề trình trên.

32

CHƯƠNG II:
CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
Nhập đề:
Sau khi kết thúc chương I chúng ta đã có cái nhìn tổng quan về các yêu cầu về
chất lượng dịch vụ trong mạng IP khi mà mạng phải hỗ trợ truyền tải cùng lúc nhiều
lại dịch vụ khác nhau. Mỗi loại dịch vụ khác nhau đều có những đòi hỏi khác nhau về
độ trễ, jitter, tỷ lệ mất gói và độ lưu thoát. Trong chương II chúng ta sẽ nghiên cứu về
những phương pháp kỹ thuật được cài đặt trên các bộ định tuyến, đây là nội dung
quan trọng nhất để thể hiện trong các mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ trong
mạng IP.

2.1 Kỹ thuật đo lưu lượng và mầu hóa lưu lượng
Để thực hiện việc hạn chế lưu lượng, các bộ định tuyến thường sử dụng kỹ
thuật đo lưu lượng nhằm xác định tốc độ dữ liệu đầu vào có phù hợp với tốc độ cam
kết hay không. Các khối đo lưu lượng thường sử dụng mô hình toán gọi là góa rò
token để xác định và hạn chế lưu lượng. Mô hình gáo giò token gồm hai thành phần:
Token mang ý nghĩa về số bit được đưa vào mạng; góa giò là nơi lưu trữ các token và
độ sâu của gáo thể hiện kích thước của gói. Có hai dạng đo lưu lượng và màu hóa lưu
lượng: Đánh dấu ba mầu tốc độ đơn srTCM (single rate Three Color Marker) và đánh
dấu ba mầu hai tốc độ trTCM (two rate Three Color Marker).
2.1.1 Đánh dấu ba mầu tốc độ đơn
Kỹ thuật đánh dấu ba mầu tốc độ đơn được định nghĩa trong RFC 2696,
srTCM dùng để đặt chính sách cho một luồng đơn tốc độ CIR. Nó đo tốc độ lưu
lượng dựa vào kết quả đánh dấu các gói theo ba mầu. Ba mầu là xanh đỏ vàng thể
hiện tốc độ tương thích tốc độ theo cấp độ giảm dần.
srTCM có hai chế độ là chế độ mù mầu và chế độ rõ mầu. Chế độ mù mầu thì
coi các gói đến không có mầu, còn chế độ rõ mầu thì các gói đến sẽ được quan tâm
tới mầu đã được đánh dấu từ trước.
Mục đích của scTCM là đảm bảo tốc độ lưu lượng trung bình dài hạn của
người sử dụng trong tốc độ thông tin cam kết CIR. Khoảng thời gian dài hạn không
tương thích với khoảng thời gian áp dụng chính sách vì mục đích của chính sách là
xác định các luồng lưu lượng vi phạm các tốc độ thỏa thuận trước và đánh dấu các
gói tin để chuyển chúng đi. Do đó các gói tin sẽ chuyển đi ngay mà không lưu lại ở
bộ định tuyến một thời gian dài để chờ CIR được xác định dựa trên thời gian dài hạn.
Vì vậy, áp dụng chính sách phải dựa trên một khoảng thời gian ngắn, sử dụng hai
tham số CBS và CIR thay cho CIR.

33
Hình 2.1 dưới đây chỉ ra khoảng thời gian CBS trong CIR của tốc độ lưu lượng
đầu vào đơn.

Hình 2.1: Khoảng thời gian đo CBS và CIR
Đánh dấu 3 mầu tốc độ đơn srTCM gồm 2 kiểu gáo token, gáo token C và gáo
token E như trên hình 2.2. Độ sâu gáo C là kích thước bùng nổ cam kết CBS, gáo C
được khởi tạo đầy với số token Tc=CBS. Độ sâu của gáo E là kích thước bùng nổ quá
hạn EBS. Gáo E cũng được khởi tạo đầy với số lượng Te+EBS. Cả hai bộ đếm token
Tc và Te được cập nhật tại tốc độ CIR, ví dụ tại thời điểm 1/CIR giây.

Hình 2.2 (a): Gáo C và gáo E ở chế độ mù mầu

Hình 2.2 (b): srTCM ở chế độ mù mầu
Thuật toán cập nhật của hai gáo như sau:
Tại khoảng thời gian cập nhật, nếu gáo C không đầy (Tclên 1 (Tc:=Tc+1).
Nếu gáo C đầy mà gáo E không đầy (Tc=CBS và Teđổi và Te tăng lên1 (Te:=Te+1).
Nếu cả hai gáo đầy thì không có gáo nào thay đổi trạng thái.

34
Hình 2.2 (b) chỉ ra phương pháp hoạt động của chế độ mù mầu srTCM, một
gói không đánh dấu có kích thước B byte đến tại thời điểm t.
Đầu tiên, bộ đếm so sánh kích thước B với token hiện thời của gáo C (Tc), nếu
gáo C đủ chỗ (B ≤ Tc) thì gói được đánh dấu mầu xanh, Tc sẽ giảm đi một lượng B
(Tc:=Tc-B).
Nếu không đủ chỗ trong C (B>Tc) bộ đếm kiểm tra gáo thứ 2 (gáo E), nếu gáo
E còn đủ chỗ (B ≤ Te) gói sẽ được đánh dấu mầu vàng và Te:=Te-B. Khi đó gáo C
không sử dụng nên Tc không thay đổi trạng thái.
Cuối cùng, nếu gáo E cũng không đủ chỗ (B>Te), gói sẽ được đánh dấu mầu
đỏ và cả Tc và Te không thay đổi trạng thái.
Hình 2.3 thể hiện chế độ họat động rõ mầu của srTCM, nó tương ứng như
trong chế độ mù mầu. Các gói mầu xanh kích thước B bytes đến tại thời điểm t.
Vẫn giữ mầu xanh nếu Tc ≥ B và Tc:=Tc-B.
Được đánh dấu mầu vàng nếu Tc ≤ B ≤ Te và Te:=Te-B.
Đánh dấu mầu đỏ nếu TeMầu đầu ra

Mầu đầu
vào

Tc>=B

Đỏ

TcTe>=B

Te
Đỏ

Đỏ

Đỏ

Vàng

Vàng

Vàng

Đỏ

Xanh

Xanh

Vàng

Đỏ

Hình 2.3: srTCM ở chế độ rõ mầu
Các gói mầu vàng có thể giữ nguyên mầu vàng hoặc chuyển sang mầu đỏ và
không thể chuyển sang mầu xanh. Các gói đỏ luôn giữ mầu đỏ và không bao giờ
chuyển sang tới cấp độ mầu xanh hoặc vàng.
2.1.2 Đánh dấu ba mầu hai tốc độ
Bộ đánh dấu 3 mầu hai tốc độ được định nghĩa bởi RFC 2698. trTCM sử dụng
cho cả tốc độ thông tin đỉnh PIR và tốc độ thông tin cam kết. Giống như srTCM,
trTCM có hai chế độ họat động: Chế độ mù mầu và chế độ rõ màu. Đánh dấu 3 mầu
hai tốc độ được cấu hình bởi các chế độ hoạt động và các tham số PIR, CIR, PBS và
CBS.
Bộ đánh dấu 3 mầu hai tốc độ trTCM hoạt động với hai gáo rò: Gáo rò token C
và gáo rò token P. Gáo rò token C được dùng để điều khiển CIR và góa rò token P
điều khiển PIR.Gáo rò C trong trTCM tương tự như trong srTCM, gáo rò P có độ sâu
cân bằng với kích thước bùng nổ đỉnh PBS và được cập nhật tại tốc độ PIR (thí dụ tại
thời điểm 1/PIR giây như trên hình 2.4(a)).

35

Hình 2.4 (a): Gáo rò C và P trong trTCM

Hình 2.4 (b): trTCM ở chế độ mù mầu
Chế độ hoạt động mù màu được mô tả trên hình 2.4(b). Giả thiết các gói không
màu có kích thước B đến tại thời điểm t. Gói tin kích thước B sẽ so sánh với token
trong gáo rò P.
• Nếu gáo rò P không đủ chỗ (B > Tp), gói tin sẽ được đánh dấu bằng màu đỏ
bất kể C có đủ hay không.
• Nếu gáo P đủ chỗ (Tp ≥ B), gói kích thước B được so sánh với bộ đếm token
trong gáo C, Tc.
Nếu (Tc ≥ B), gói được đánh dấu màu xanh và Tp:=Tp-B và Tc:=Tc-B.
Nếu (Tc < B), gói được đánh dấu màu vàng và Tp:=Tp-B.
Chế độ hoạt động rõ màu chỉ ra trên hình 2.5. Giống như chế độ hoạt động của
srTCM, các gói đến không thể cải thiện cấp độ tốt hơn (luôn luôn bằng hoặc nhỏ hơn
cấp độ đưa tới). Giả thiết các gói đã được đánh dấu màu tới:
• Nếu gói đã được đánh dấu màu đỏ, gói sẽ được đánh dấu lại màu đỏ và các gáo
rò được bỏ qua.
• Nếu gói đã được đánh dấu màu vàng, nó được đánh dấu màu đỏ khi B≤ Tp và
Tp:=Tp-B; được đánh dấu màu vàng nếu Tp>B.
• Nếu gói đã được đánh dấu màu xanh, nó được chuyển sang màu:
Đỏ, nếu TpVàng, nếu TcXanh, nếu Tc≥B, Tp≥B và Tc:= Tc-B, Tp:=Tp-B.

36

Mầu ban đầu

Tp>=B

Tp
Tc>=B

Tc
Đỏ

Đỏ

Đỏ

Đỏ

Vàng

Vàng

Vàng

Đỏ

Xanh

Xanh

Vàng

Đỏ

Hình 2.5: Chế độ rõ mầu với trTCM

2.2 Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực
Trong kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực gồm có 3 kiểu cơ bản: RED, WRED
và ECN. Dưới đây, chúng ta xem xét chi tiết các kiểu hàng đợi này.
2.2.1 Kỹ thuật loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm RED
RED phát hiện nguy cơ tắc nghẽn và loại bỏ gói ngẫu nhiên từ bộ đệm. Hình
2.6 thể hiện sơ đồ nguyên lý hoạt động của kỹ thuật loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm. Như
chỉ ra trên hình, phần quan trọng nhất của RED là dự đoán tắc nghẽn và hồ sơ loại bỏ
gói.

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED
Chức năng của khối dự đoán tắc nghẽn là đánh giá lưu lượng trong bộ đệm
theo thời gian và phát hiện khả năng tắc nghẽn.
Tiếp cận đơn giản nhất là dựa vào chiều dài hàng đợi (N) và xác định trạng
thái tắc nghẽn dựa trên cơ sở hàng đợi đầy (so sánh với kích thước bộ đệm (B)).
Một phương pháp khác sử dụng để dự đoán tắc nghẽn là dựa trên thuật toán
tính toán thời gian trung bình của hàng đợi, đầu ra của khối dự đoán tắc nghẽn là
chiều dài hàng đợi trung bình trọng số (nN). Mặc dù nó phản ánh độ dài hàng đợi hiện
thời, nhưng (nN) không phải là chiều dài hàng đợi thực tế mà là phép đo cho hiện
tượng tắc nghẽn. Gọi α là phần trăm (%) bộ đệm sử dụng được tính theo công thức
sau:

37
α=

nN
B

Công thức (2.1)

Trong đó, B là kích thước bộ đệm
Hồ sơ loại bỏ gói là một phương pháp tham chiếu giữa % bộ đệm đầy và xác
suất loại bỏ gói, khi α đạt một giá trị nào đó thì RED được kích hoạt, khi α đạt giá trị
lớn nhất (<100%) thì xác suất loại bỏ gói bằng 1. Cơ chế loại bỏ gói chuyển sang theo
phương pháp cắt đuôi lưu lượng.

Hình 2.7: Hồ sơ RED
2.2.2 Kỹ thuật loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED
Kỹ thuật loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED là kỹ thuật loại bỏ gói sớm
RED với nhiều hồ sơ loại bỏ gói. Thay vì sử dụng một hồ sơ loại bỏ gói cho tất cả các
hàng đợi, WRED sử dụng nhiều hồ sơ loại bỏ gói cho một hàng đợi (Ví dụ, 3 hồ sơ
loại bỏ gói khác nhau có thể sử dụng cho 3 màu của các gói).
2.2.3 Thông báo tắc nghẽn hiện ECN
Phương pháp thông báo tắc nghẽn hiện ECN được ứng dụng cho các lưu lượng
TCP, ECN được đề xuất từ năm 1999 trong RFC 2481 như là một bổ sung trong kiến
trúc IP. Hình vẽ 2.8 dưới đây chỉ ra phương pháp ECN. Trong ECN, tắc nghẽn được
thông tin tới các hệ thống kết cuối bằng cách đánh dấu trong trường hợp chức năng
đặc biệt của tiêu đề IP và TCP với các chỉ thị tắc nghẽn thay vì loại bỏ gói. Một thuật
toán tương tự như trong kỹ thuật loại bỏ gói sớm được thực hiện để chỉ ra ngưỡng và
thời điểm thông báo tắc nghẽn.
ECN yêu cầu đánh dấu trên cả hai tiêu để IP và TCP. ECN sử dụng hai bit dự
phòng trong tiêu đề TCP và hai bit dự phòng trong tiêu đề IP. Hai bit dự phòng cuối
cùng trong 8 bit của trường kiểu dịch vụ ToS trong tiêu đề IPv4 và 8 bit trường phân
lớp lưu lượng trong IPv6 sử dụng để đánh dấu ECN.

38

Hình 2.8: Khái niệm ECN

2.3 Lập lịch gói
Lập lịch gói 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 chuyển các gói ra khỏi hàng đợi nhanh bằng khả năng kết nối có thể
chuyển được.

Hình 2.9: Biểu đồ khái niệm của Lập lịch gói
Hình 2.9 là sơ đồ khái niệm của lập lịch gói. Lập lịch gói được áp dụng cho
mỗi đầu ra cơ sở, các gói đi đến các cổng vào (từ 1 đến n) trước tiên được định tuyến
đến các cổng ra (từ 1 đến m) dựa vào bảng định tuyến của router. Với mỗi cổng ra,
các gói được phân loại gói và được xếp hàng trên các hàng đợi trước khi đi qua bộ lập
lịch gói.
Dưới đây là một số phương pháp lập lịch gói phổ biến sẽ được đề cập:
- Vào trước ra trước (First-in-first-out FIFO).
- Hàng đợi ưu tiên (Priority queuing PQ).

39
- Hàng đợi công bằng (Fair-queuing FQ).
- Vòng tròn trọng số Robin (Weighted Round Robin WRR).
- Hàng đợi công bằng có trọng số (Weight Fair Queuing WFQ).
- WFQ dựa trên lớp (CBWFQ).
2.3.1 FIFO
FIFO được trình bày trong hình 2.10. FIFO là kỹ thuật mặc định khi không có
mặt thuật toán lập lịch gói đặc biệt nào. Với FIFO, các gói được xếp hàng trong một
hàng đợi đơn theo thứ tự đến của chúng và được gửi đi trên các liên kết ra theo cùng
trình tự trong hàng đợi của chúng. Từ việc gói đến trước là gói được phục vụ trước,
hàng đợi FIFO cũng được biêt đến là hàng đợi đến trước phục vụ trước.

Hình 2.10: FIFO
Ưu điểm lớn nhất của FIFO là sự đơn giản. Không thuật toán đặc biệt nào cần
thiết để cài đặt FIFO. Nó chỉ cần một bộ đệm có thể lưu các gói đến khi chúng đến và
gửi đi theo cùng một trình tự.
FIFO đối xử công bằng với tất cả các gói, theo đó nó thích hợp nhất với các
mạng best effort. Nhược điểm lớn nhất của FIFO là nó không phân biệt (hay có khả
năng phân biệt rất hạn chế) các lớp lưu lượng. Bởi vì FIFO không cung cấp sự phân
biệt các lớp, tất cả các luồng lưu lượng đều chịu mức tắc nghẽn như nhau
2.3.2 Hàng đợi ưu tiên PQ
FIFO đặt tất cả các gói trong một hàng đợi đơn mà không quan tâm đến sự
phân biệt các lớp lưu lượng. Một cách đơn giản để phân chia các lớp là sử dụng hàng
đợi ưu tiên. Trong phương pháp PQ, N hàng đợi được tạo ra như trong hình 2.11 với
thứ tự ưu tiên xếp từ 1 đến N. Thứ tự sắp xếp được xác định bởi thứ tự ưu tiên và nhờ
đó có các gói trong các hàng đợi ưu tiên cao hơn. Các gói trong hàng đợi thứ j được
xử lý chỉ khi không có gói nào trong bất kỳ 1 hàng đợi nào có ưu tiên cao hơn, cụ thể
các hàng đợi từ 1 đến j-1. Ví dụ, nếu 1 gói đến bất kỳ hàng đợi nào ở trên hàng j, ví
dụ hàng j-3, trong khi đó bộ sắp xếp đang ở hàng j, bộ sắp xếp nhảy tới hàng j-3, cụ
thể, không có thứ tự nào thiết lập trước như thứ tự vòng quay robin sử dụng trong các
kỹ thuật lên lịch gói khác được thảo luận sau đây.

40

Hình 2.11: Hàng đợi ưu tiên (PQ)
Như trong FIFO, ưu điểm cơ bản của PQ là sự đơn giản của nó: nó cung cấp
một định nghĩa đơn giản để tạo ra sự phân chia các lớp lưu lượng. Nhược điểm cơ bản
của PQ là PQ có thể gây ra hiện tượng được gọi là sự “thiếu đói” của các hàng đợi có
ưu tiên thấp. Như tên gọi của hiện tượng đã gợi ý, nếu các hàng đợi có ưu tiên cao
hơn luôn có các gói được xử lý, thì các hàng đợi có ưu tiên thấp có thể không bao giờ
có cơ hội để gửi gói đi: các hàng đợi ưu tiên thấp có thể bị hoàn toàn mất khả năng
truy nhập tới băng thông của các cổng ra. Vì nguy cơ của vấn đề thiếu đói, phải cẩn
thận khi áp dụng PQ.
PQ đặc biệt phù hợp nếu các lưu lượng ưu tiên cao chỉ chiếm một phần nhỏ
trong toàn bộ lưu lượng của các hàng đợi. PQ thích hợp cho việc tạo ra các hàng đợi
chuyên dụng cho các lưu lượng thời gian thực, như thoại và video qua IP bởi PQ luôn
cố gắng đạt được chất lượng như các mạng chuyển mạch kênh. Lưu lượng thời gian
thực như thoại và video thông thường sử dụng UDP. Việc sử dụng PQ cho lưu lượng
TCP là không hợp lý bởi vì đặc tính của TCP khi xảy ra tắc nghẽn sẽ thực hiện truyền
lại nen có thể làm nghiêm trọng hơn vấn đề “thiếu đói” cho các lưu lượng khác trong
các hàng đợi khác.
2.3.3 Hàng đợi công bằng FQ
Một phương pháp hàng đợi khác đưa ra đối với việc phân chia các lớp lưu
lượng là hàng đợi công bằng FQ, hay còn biết đến như là xếp hàng dựa trên luồng lưu
lượng. Với hàng đợi FQ, các gói đến được phân loại vào N hàng đợi. Mỗi hàng đợi
được chỉ định 1/N băng thông của cổng ra. Bộ lập lịch ghé thăm các hàng đợi tùy
thuộc vào việc bỏ qua các hàng đợi rỗng của trình tự vòng quay robin. Mỗi khi bộ lập
lịch ghé thăm một hàng đợi, một gói của hàng đợi đó được chuyển đi.
Hàng đợi FQ đơn giản. Nó không yêu cầu 1 kỹ thuật phân phát băng thông
riêng biệt. Nếu một hàng đợi mới được thêm vào N hàng đã có sẵn để tạo ra một lớp
lưu lượng mới, bộ lập lịch tự động điều chỉnh băng thông cho mỗi hàng đợi thành 1/
(N+1) băng thông của cổng ra. Tính đơn giản này là ưu điểm cơ bản của FQ.
Hàng đợi FQ có hai nhược điểm chính. Đầu tiên, khi băng thông của cổng ra
được chia đều cho N hàng đợi thành 1/N, nếu các lớp lưu lượng đến có yêu cầu băng