Kết hợp DiffServ và MPLS trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ 1

Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
Chương 1
Chất lượng dịch vụ trong mạng IP

1.1 Giới thiệu chương
Ngày nay, Internet đã trở thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của
chúng ta. Internet đã mở ra một chân trời mới đối với nhân loại. Khi mạng Internet
phát triển và mở rộng, lưu lượng Internet bùng nổ thì việc đáp ứng nhu cầu cho người
sử dụng về chất lượng dịch vụ ngày càng cao, đòi hỏi các nhà cung cấp dịch vụ ISP
luôn đứng trước thử thách làm sao luôn làm hài lòng các “thượng đế” của mình. Do
đó việc cung cấp chất lượng dịch vụ QoS là cần thiết cho phép đảm bảo chất lượng
của các ứng dụng thời gian thực như VoIP, Video Streaming và hạn chế nghẽn mạng.
Trong chương này sẽ trình bày khái quát các khái niệm cơ bản trong chất lượng
dịch vụ QoS, những thông số đặc trưng cho chất lượng dịch vụ, sự cần thiết của lĩnh
vực này trong mạng IP. Đồng thời sẽ đi vào tổng quan về kiến trúc của QoS với các
dịch vụ tích hợp (Intserv) và phân tích rõ các khái niệm, hoạt động cũng như ưu và
nhược điểm của dịch vụ phân biệt (DiffServ) trong mạng IP.
1.2 Ưu và nhược điểm của mạng IP
1.2.1 Ưu điểm
 Trong định tuyến các router IP sẽ dùng thuật tóan SPF (Shortest Path First-
vào băng thông và hop count của đường đi) để tính toán đường đi ngắn nhất
cho lưu lượng, giảm độ trễ của lưu lượng khi mạng hoạt động bình thường
1.2.2 Nhược điểm
 Do cơ chế định tuyến đường ngắn nhất (shortest path routing), khi lưu lượng
trên mạng quá tải, các luồng lưu lượng vẫn được tính toán đi trên đường ngắn
nhất. Do đó tắt nghẽn là không tránh khỏi trong khi một số đường vẫn không
được sử dụng. việc sử dụng băng thông trong mạng không hiệu quả
-1-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
 Để có thể chuyển tiếp gói tin đi trên mạng, các router phải kiểm tra địa chỉ
đích và so sánh trong bảng định tuyến và xác định chặn tiếp theo của lưu

lượng.họat động này làm tăng thời gian trễ của gói tin
 IP chỉ cung cấp dịch vụ Best effort, có nghĩa là khi hàng đợi cho chặn tiếp
theo quá dài, gói tin sẽ bị trễ hay khi hàng đợi quá đầy, IP router cho phép hủy
gói. Việc tăng thời gian trễ và mất dữ liệu là không thể dự đoán được.
Với nhược điểm này yêu cầu cung cấp QoS trong mạng là vấn đề cần thiết.
1.3 Chất lượng dịch vụ QoS
1.3.1 Định nghĩa QoS
Chất lượng dịch vụ là khả năng của một yếu tố mạng (ví dụ như một ứng
dụng, máy chủ hay router) để có một vài mức đảm bảo cho lưu lượng và các yêu cầu
dịch vụ cần được thỏa mãn. Nó ngày càng trở nên cần thiết trong việc quản lý mạng
và sử dụng tài nguyên mạng hiệu quả để đáp ứng nhu cầu dịch vụ Internet ngày càng
tăng nhanh.
1.3.2 Tầm quan trọng
Khi lưu lượng được chuyển tiếp với tốc độ nhanh nhưng không có bất kỳ sự
đảm bảo nào về thời gian xử lý cũng như độ tin cậy của việc vận chuyển lưu lượng
đến đích, kiểu dịch vụ này đòi hỏi các giao thức ở lớp cao hơn, ví dụ như TCP để
cung cấp tính tin cậy và điều khiển lỗi. Bảng trạng thái dưới đây thể hiện một số vấn
đề thường gặp đối với mạng không hỗ trợ QoS.
-2-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
Bảng 1-1 Các vấn đề khi mạng không hỗ trợ QoS
Dạng lưu lượng Vấn đề khi mạng không hỗ trợ Qos
Thoại (voice) Tiếng nói truyền trên mạng thường khó hiểu
Bị ngắt quảng, âm thanh không trong suốt
Trễ truyền làm các cuộc đối thoại khó khăn
hơn, khi đầu dây bên này đã kết thúc nhưng
đầu bên kia vẫn không hay biết
Hoặc các cuộc gọi sẽ không kết nối được
Video Hình ảnh không ổn định
Âm thanh không đồng bộ với hình ảnh

Các hình động luôn bị “đóng băng”
Dữ liệu (data) Tốc độ truyền dữ liệu chậm
Mất dữ liệu khi đang truyền

Với các xu hướng phát triển ồ ạt các dịch vụ thương mại điện tử (e-
commerce), vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng trên mạng Internet
trở nên cần thiết hơn bao giờ hết.
Nhìn chung có 2 nhân tố cơ bản dẫn đến yêu cầu về chất lượng dịch vụ.
 Thứ nhất, với các công ty kinh doanh trên web, họ cần chất lượng dịch vụ để
cải thiện và nâng cao chất lượng vận chuyển các thông tin và dịch vụ của họ
đến khách hàng như một yếu tố để thu hút ngày càng nhiều khách hàng.
 Thứ 2, các nhà cung cấp dịch vụ Internet IPSs cần thêm nhiều các dịch vụ giá
trị gia tăng trên mạng của họ để tăng lợi nhuận.
Việc các nhà cung cấp không ngừng phát triển các dịch vụ, số lượng khách
hàng ngày càng nhiều. Theo truyền thống nếu một mạng làm việc không có QoS thì
giải pháp để giải quyết các tắc nghẽn trong mạng đòi hỏi một lượng băng thông lớn.
Điều này là không khả thi đối với các nhà cung cấp dịch vụ (IPS) và các nhà kinh
doanh mạng khác về giá thành cũng như tính hiệu quả của nó. Vì thế yêu cầu phải
cung cấp chất lượng dịch vụ QoS là rất cần thiết.
-3-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
1.3.3 Các đặc tính QoS
Mặc dù chất lượng dịch vụ QoS chưa phải là giải pháp hoàn toàn nhưng nó ra
đời nhằm giải quyết các vấn đề về lưu lượng trên mạng. Chất lượng dịch vụ thường
được đánh giá bằng các thông số sau:
 Băng thông
 Độ trễ
 Độ rung pha
 Khả năng mất gói
1.3.3.1 Băng thông (bandwidth)

Băng thông là tỉ lệ bit trên mỗi giây để phân phối dữ liệu đi trong mạng. Trong
một số trường hợp, băng thông còn được hiểu là tốc độ đường kết nối vật lý hay là
xung đồng hồ (clock rate) của mỗi interface. Ví dụ như các kết nối điểm- điểm trong
mạng WAN thì băng thông 64kbps chính là tốc độ của đường kết nối vật lý. Nhưng
đối với các kết nối trong mạng Frame relay hay ATM thì băng thông là tốc độ cam
kết (CIR) giữa nhà cung cấp dịch vụ với khách hàng, băng thông này có thể lớn hơn
tốc độ cam kết khi lưu lượng trong mạng cho phép.
1.3.3.2 Độ trễ (delay)
Các mạng hiện nay thường tồn tại các loại trễ sau đây:
 Trễ môi trường truyền (propagation): là thời gian để chuyển gói đi, thời gian
này thường phụ thuộc vào băng thông của giao tiếp
 Trễ xử lý và xếp hàng: đây là hai loại trễ tồn tại trong mỗi router
 Trễ xử lý: là thời gian để một router lấy gói tin từ interface vào và đặt
nó vào hàng đợi của interface. Độ trễ sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Tốc độ xử lý của CPU.
+ Khả năng xử dụng của CPU.
+ Mode chuyển mạch IP được sử dụng.
+ Cấu trúc của router.
+ Các đặc tính cấu hình trên các giao tiếp vào/ra.
-4-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
 Trễ xếp hàng: khoảng thời gian gói nằm trên hàng đợi của router. Thời
gian này phụ thuộc vào số lượng cũng như kích thước của các gói đang
có trên hàng đợi và trên băng thông của interface. Đồng thời thông số
này cũng phụ thuộc vào cơ chế xếp hàng gói tin.
1.3.3.3 Độ trượt (Jitter)
Khái niệm độ trượt và độ trễ thường liên quan đến nhau. Một gói tin trong
mạng với các thành phần độ trễ thay đổi thì luôn tồn tại độ trượt. Vậy khi độ trượt
xảy ra thì có làm giảm đến chất lượng dịch vụ hay không? Đối với các ứng dụng dữ
liệu thì độ trượt không làm giảm chất lượng là bao nhưng một số dạng lưu lượng

khác như thoại được số hóa đòi hỏi các gói tin phải được truyền nhất quán tức là
khoảng cách giữa các gói tin là đồng bộ. Dạng lưu lượng này còn gọi là lưu lượng
đẳng thời (isochronous traffic). Dưới đây là một ví dụ để thấy rõ hơn về độ trượt.
Hình 1.1 Ví dụ về độ trượt
Xét 3 gói tin thoại đi từ máy 201 đến 301, thời gian truyền của mỗi gói tin là 20ms.
Nhưng khi đi đến máy 301 thì gói tin thứ 3 thời gian truyền đã tăng lên 30ms, vậy
10ms chính là độ trượt của gói.
1.3.3.4 Mất gói (loss)
Mất gói là một thông số quan trọng trong chất lượng dịch vụ, khi tỉ lệ mất gói
xảy ra trong mạng quá lớn thì cần phải có biện pháp để khắc phục. Ví dụ như trường
sửa lỗi FCS (Frame Check Sequence) sẽ kiểm tra các khung bị lỗi khi truyền trong
mạng. Các công cụ của QoS có thể làm giảm mất gói tin khi các hàng đợi quá đầy.
-5-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
Ở các mạng hiện nay, số các gói tin bị mất do tỉ lệ lỗi bit là rất ít (tỉ lệ bit lỗi
BER 10
-9
là có thể chấp nhận) [2], đa số các gói tin bị mất là do bộ đệm và các hàng
đợi quá tải. Do đó việc khắc phục tình trạng mất gói trong mạng là cần thiết.

Hình 1.2 Mất gói trong mạng
1.3.4 Các giải pháp tăng QoS
1.3.4.1 Tăng băng thông
Hiện nay, một vài giải pháp để giải quyết vấn đề thiếu băng thông đã được đề ra:
 Tăng dung lượng liên kết nhằm tạo ra một lượng băng thông thừa để đảm bảo
cho những người sử dụng hoặc các ứng dụng có yêu cầu băng thông lớn. Vấn
đề này xem có vẻ đơn giản, tuy nhiên sẽ tốn rất nhiều thời gian cũng như tiền
của để thực thi đề án này do những hạn chế trong thiết bị sẽ gây khó khăn
trong công việc nâng cao khả năng băng thông lên quá lớn.
 Phân loại những lưu lượng thông tin thành các lớp và trao quyền ưu tiên

chiếm giữ băng thông tùy theo tầm quan trọng của từng loại hình thông tin.
 Nén tải nhằm tăng dung lượng băng thông liên kết. Tuy nhiên, việc nén tải sẽ
làm tăng độ trễ trong việc truyền dẫn do phải cần khoảng thời gian dài để thực
hiện những thuật toán nhằm giải quyết việc nén dữ liệu.
 Một cơ chế nén hiệu quả hơn đó là nén phần header. Cơ chế nén này đặc biệt
hiệu quả đối với những mạng có gói chứa dữ liệu nhỏ ( tỉ số tải trên header là
nhỏ).
1.3.4.2 Giảm trễ
Để giảm trễ trong mạng, dưới đây là một số giải pháp:
-6-
IP
Forwarding
IPIP
Tail-drop
IP IP
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
 Tăng dung lượng liên kết, với một dung lượng băng thông vừa đủ trên liên kết
sẽ giúp rút ngắn chiều dài hàng đợi và như vậy gói sẽ không phải đợi lâu để
được truyền đi. Mặt khác, thời gian phát định kỳ sẽ được giảm xuống. Tuy
nhiên giải pháp sẽ không được khả thi do cùng việc tăng dung lượng thì giá
thành cũng sẽ tăng theo.
 Một giải pháp có tính hiệu quả hơn đó là tạo ra một cơ cấu hàng đợi có hỗ trợ
quyền ưu tiên đối với những gói có yêu cầu độ trễ nhỏ bằng cách đưa các gói
tin này lên hàng đầu.
 Nén tải sẽ giảm được kích thước của gói và từ đó sẽ tăng được băng thông
liên kết. Thêm vào đó, kích thước gói sẽ nhỏ hơn sau khi nén tải và gói sẽ yêu
cầu thời gian truyền ngắn hơn. Tuy nhiên, để thực hiện nén tải cần được thực
hiện thông qua các thuật toán phức tạp. Giải pháp này thường không được sử
dụng đối với những gói truyền trong môi trường có độ trễ nhỏ.
 Việc nén header không là công việc tập trung xử lý chính mà nó sẽ được kết

hợp với các kỹ thuật khác để giảm độ trễ. Phương thức này đặc biệt phù hợp
với gói là voice.
Bằng cách giảm độ trễ truyền dẫn thì độ trượt cũng được giảm đáng kể.
1.3.4.3 Ngăn mất gói
Mất gói thông thường xảy ra khi router không còn thời gian bộ đệm phục vụ cho
việc xếp hàng đợi. Router sẽ thực hiện loại bỏ gói trong những trường hợp sau:
 CPU bị nghẽn và không thể xử lý gói.
 Router không còn không gian bộ đệm
 CPU bị nghẽn và không thể ấn định một không gian bộ đệm nào cho các gói
mới
 Lỗi khung (ví dụ CRC).
Sau đây là một số giải pháp giúp tăng ngăn chặn mất gói đối với các ứng dụng:
 Tăng dung lượng liên kết để tránh nghẽn.
-7-
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
 Đảm bảo đủ lượng băng thông và tăng không gian bộ đệm nhằm đáp ứng
được khi xảy ra bùng nổ thông tin.
 Tránh nghẽn bằng cách loại bỏ gói trước khi nghẽn xảy ra. WRED sẽ được sử
dụng để thực hiện loại bỏ gói trước khi xảy ra nghẽn.
{{{
Hình 1.3 Tránh nghẽn ngăn mất gói
1.4 Các kiểu dịch vụ QoS trong mạng
Định nghĩa kiến trúc QoS ra đời vào giữa năm 1990, và cho đến nay nhóm
nghiên cứu IETF (Internet Engineering Task Force) đã định nghĩa hai dạng kiến trúc
QoS cho mạng IP đó là các dịch vụ tích hợp (IntServ) và các dịch vụ phân biệt
(DiffServ).
1.4.1 Dịch vụ tích hợp Intserv
Các dịch vụ tích hợp (Intserv) được nhóm nghiên cứu IETF đưa ra nhằm cung
cấp các dịch vụ end-to-end giữa các máy chủ cho các ứng dụng point-to-point và
point-to multipoint . Nó định nghĩa quá trình xử lý báo hiệu cho các luồng riêng biệt

và yêu cầu phải dự trữ một lượng băng thông và độ trễ nhất định. Để đảm bảo cho
mỗi dòng, IntServ mô tả hai thành phần: dự trữ tài nguyên và điều khiển lưu lượng.
Dự trữ tài nguyên cho phép luồng dữ liệu riêng biệt yêu cầu một lượng băng thông và
độ trễ thích hợp. Nếu việc báo hiệu thành công, thì các thành phần mạng sẽ phải dự
trữ lượng băng thông cần thiết. Còn điều khiển lưu lượng Intserv sẽ quyết định yêu
cầu dự trữ nào sẽ bị từ chối. Nếu tất cả các yêu cầu được chấp nhận thì sẽ có quá
-8-
IP
Data
FIFO queuing
Custom Queuing (CQ)
Modified Deficit Round
Robin (MDRR)
Weighted Random Early
Detection (WRED)
Chương 1 Chất lượng dịch vụ trong mạng IP
nhiều luồng lưu lượng đi trong mạng và kết quả sẽ không có luồng nào được nhận
dịch vụ yêu cầu cả.

Hình 1.4 Kiến trúc dịch vụ Intserv

1.4.1.1 Giao thức dự trữ tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol)
RSVP là một giao thức cho việc thiết lập các dự trữ tài nguyên. Giao thức
RSVP được các máy chủ sử dụng để yêu cầu các chất lượng dịch vụ đặc biệt từ mạng
cho các ứng dụng riêng biệt như các dòng dữ liệu hay các luồng thông tin. Các router
cũng có thể sử dụng giao thức này để thiết lập, duy trì và phân phối các yêu cầu QoS
cho các node hoạt động dọc theo đường dẫn. Kết quả là các tài nguyên sẽ được dự trữ
cho mỗi node theo đường dữ liệu.
RSVP phải mang các thông tin sau:
 Thông tin phân loại, nhờ nó mà các luồng lưu lượng với các yêu cầu QoS cụ

thể có thể được nhận biết trong mạng. Thông tin này bao gồm địa chỉ IP phía
gửi và phía nhận, số cổng UPD.
 Chỉ tiêu kỹ thuật của luồng lưu lượng và các yêu cầu QoS
Rõ ràng là RSVP phải mang những thông tin này từ các máy chủ tới tất cả các
tổng đài chuyển mạch và các router dọc theo đường truyền từ bộ gửi đến bộ nhận, vì
-9-