Đánh giá hiệu năng thực thi một số loại hàng đợi áp dụng trong mô hình DIFFSERV

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG








TRẦN NĂNG LỰC


ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG THỰC THI MỘT SỐ LOẠI HÀNG ĐỢI ÁP
DỤNG TRONG MÔ HÌNH DIFFSERV

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 60.52.02.08


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ



HÀ NỘI - 2013

Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG


Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đức Thủy
(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ……………………………………………………………………………

Phản biện 2: …………………………………………………………………………




Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


1

MỞ ĐẦU
Trong các năm gần đây, mạng chuyển mạch gói sử dụng công nghệ ATM, IP, MPLS.
Nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông của người dùng ngày càng đa dạng và phong phú.
Mạng IP là mạng chuyển mạch gói có thể hỗ trợ đa dịch vụ và mạng IP ngày càng chiếm ưu
thế về số lượng khách hàng sử dụng. Điều đó chứng tỏ mạng IP là một xu hướng phát triển
có thể cung cấp đa dịch vụ cho người dùng trong tương lai. Đối với mô hình Diffserv, tại
mỗi nút mạng lưu lượng được phân loại và được đưa đến các hàng đợi khác nhau để cung
cấp chất lượng dịch vụ khác nhau cho các dịch vụ khác nhau. Hiện nay có nhiều loại hàng
đợi được sử dụng ví dụ như hàng đợi FIFO, PQ, WFQ … Mỗi hàng đợi được sử dụng cho
mục đích khác nhau. Vậy mô hình, hiệu năng các hàng đợi đó như thế nào. Đây chính là lý
do tôi chọn đề tài “Đánh giá hiệu năng thực thi một số loại hàng đợi áp dụng trong mô hình
Diffserv”.

2

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG
MẠNG IP
Trong các năm gần đây, công nghệ chuyển mạch gói phát triển một cách nhanh
chóng. Hội tụ các dịch vụ trong một mạng là một xu hướng trong phát triển của hạ tầng
mạng trong tương lai. Mạng IP là một mạng chuyển mạch gói có thể hỗ trợ đa dịch vụ.
Trong chương này giới thiệu tổng quan về chất lượng dịch vụ trong mạng IP. Chương này
sẽ xem xét một số vấn đề sau:
- Định nghĩa về dịch vụ.
- Định nghĩa về chất lượng dịch vụ.
- Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP.
- Kỹ thuật lưu lượng trong mạng IP.
- Mô hình quản lý mức dịch vụ.
- Đo lường chất lượng dịch vụ.
- Cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ động giữa các miền IP.

1.1. Định nghĩa dịch vụ.
Diễn đàn quản lý mạng viễn thông đã đưa ra định nghĩa về dịch vụ. Tổ chức 3GPP
cũng đưa ra một số định nghĩa dịch vụ theo quan điểm hỗ trợ kỹ thuật: dịch vụ mang, năng
lực dịch vụ, chức năng dịch vụ, các dịch vụ.
1.2. Chất lƣợng dịch vụ.
1.2.1. Định nghĩa chất lượng dịch vụ.
Trong E.800 của ITU-T và ETR003 của ETSI định nghĩa : “chất lượng dịch vụ (Qos)
là tập hợp những ảnh hưởng trong quá trình thực hiện dịch vụ, những ảnh hưởng đó xác
định mức độ hài lòng của người sử dụng”. Trong ETSI-TR102, ETSI xem xét Qos là khả
năng phân loại, phân biệt các loại lưu lượng để mạng xử lý các lưu lượng với các mức độ ưu
tiên khác nhau. Chất lượng dịch vụ mà người dùng cảm nhận được phụ thuộc vào hiệu năng
mạng nhưng lại được đánh giá bằng “sự đánh giá trung bình của người dùng”.

3

1.2.2. Các yêu cầu chất lượng dịch vụ.
Tất cả các dịch vụ đều cần được phục vụ với một yêu cầu chất lượng dịch vụ xác
định. Mỗi dịch vụ đòi hỏi một chất lượng dịch vụ khác nhau. Trong ITU-T Y.1541,
ETSI TR102 đưa ra một số phân lớp dịch vụ.
1.3. Mô hình đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP
Hiện nay, có 3 mô hình để thực thi QoS trong mạng IP: mô hình nỗ lực tối đa, mô
hình tích hợp dịch vụ, mô hình phân biệt dịch vụ.
Mô hình nỗ lực tối đa không có sự đảm bảo trong cấp phát gói. Tất cả các gói trong
mạng được xử lý giống nhau, không có sự ưu tiên giữa các dịch vụ.
IntServ sử dụng giao thức dự trữ tài nguyên (RSVP) để dự trữ tài nguyên cho mỗi
luồng lưu lượng.
Kiến trúc Diffserv dựa trên một mô hình đơn giản là khi lưu lượng đi vào mạng nó sẽ
được phân loại dựa trên những điều kiện có trước ở biên mạng. Lưu lượng sẽ được nhận
dạng bằng giá trị mã dịch vụ (DSCP) hoặc những bit đánh dấu trong tiêu đề gói tin IP. Giá
trị DSCP được sử dụng để đánh dấu các gói IP và để xác định hành vi ứng xử cho mỗi gói ở

mỗi nút mạng (PHB).
1.4. Kỹ thuật lƣu lƣợng trong mạng IP.
1.4.1. Giới thiệu kỹ thuật lưu lượng.
Kỹ thuật lưu lượng là một phương pháp để tối ưu hiệu năng mạng. Kỹ thuật lưu
lượng gồm 4 bước: xác định các chính sách trong mạng phù hợp, thu thập thu thập dữ liệu
đo lường từ thiết thiết bị mạng, phân tích trạng thái mạng và đặc tính hóa lưu lượng, tối ưu
hiệu năng mạng. Tối ưu mạng phải được thực hiện thường xuyên liên tục, trong nhiều vòng
lặp. Hai kỹ thuật lưu lượng được quan tâm nhiều để sử dụng băng thông trong mạng hiệu
quả: kỹ thuật lưu lượng dựa trên IP và kỹ thuật lưu lượng dựa trên MPLS.
1.4.2. Kỹ thuật lưu lượng dựa trên IP.
Trong mạng IP có 2 phương pháp định tuyến: định tuyến tĩnh và định tuyến động.
Đối với pháp định tuyến tĩnh dễ dàng phân chia tải lưu lượng nhưng khó quản lý và khai
thác tất cả các tuyến. Phương pháp định tuyến động, thông tin định tuyến được cập nhật một

4

cách tự động. Giao thức định tuyến OSPF có khả năng hỗ trợ định tuyến đa đường. Thay đổi
cost từng liên kết có thể thay đổi bảng định tuyến, tối lưu từng liên kết.
1.4.3. Kỹ thuật lưu lượng dựa trên MPLS.
Trong mạng MPLS, các gói đến bộ định tuyến biên (LER) được phân loại và được
chuyển tới các lớp chuyển tiếp tương đương FEC. MPLS hoạt động dựa trên sự thiết lập
LSP. Giữa 2 LER có nhiều LSP được thiết lập. MPLS hỗ trợ định tuyến đa đường vì vậy có
thể thực hiện điều khiển lưu lượng bằng cách ánh xạ vào lưu lượng vào các LSP khác nhau.
1.5. Mô hình quản lý mức dịch vụ.
1.5.1. Giới thiệu mô hình quản lý mức dịch vụ.
ITU đưa ra một khung quản lý mức dịch vụ trong TMN gồm 5 chức năng: quản lý
lỗi, quản lý cấu hình, quản lý tính cước, quản lý hiệu năng, quản lý bảo mật. Để tăng mức
độ cụ thể hóa, mỗi chức năng trên lại được quản lý theo 4 lớp con: lớp quản lý thiết bị, lớp
quản lý mạng, lớp quản lý dịch vụ, lớp quản lý kinh doanh.
1.5.2. Thỏa thuận mức độ dịch vụ SLA.

SLA là một công cụ gồm các tài liệu chi tiết về mức độ dịch vụ giữa khách hàng và
một nhà cung cấp dịch vụ. Về mặt kỹ thuật SLA là một thiết bị trao đổi thông tin giữa nhà
cung cấp dịch vụ và khách hàng. Về mặt kinh doanh, SLA là thỏa thuận giữa nhà cung cấp
và khách hàng.
1.6. Đo lƣờng lƣu lƣợng
1.6.1. Giới thiệu đo lường lưu lượng.
Kỹ thuật lưu lượng sử dụng các thông tin thu thập từ mạng để làm cơ sở thay đổi
tham số trong mạng và tối ưu mạng. Nhiệm vụ chính của đo lường lưu lượng trong mạng là:
đặc trưng hóa lưu lượng, giám sát mạng, điều khiển lưu lượng.
1.6.2. Thu thập dữ liệu cho đo lường lưu lượng.
Dữ liệu đo lường có thể thu thập từ các phần tử của mạng, giám sát một liên kết,
giám sát tuyến. Có thể thu thập dữ liệu đo lường từ các thiết bị trong mạng qua các giao

5

diện của nhà sản xuất hoặc các giao diện đã được chuẩn hóa như SNMP. Các dữ liệu sẵn có
trong mỗi thiết bị có thể có cấu trúc dữ liệu của nhà sản xuất hoặc MIB đã được chuẩn hóa.
1.6.3. Phương pháp đo lường lưu lượng.
Để đo lường hiệu năng mạng có 2 phương pháp sau:
- Đo lường thụ động ( không thâm nhập).
- Đo lường chủ động ( có thâm nhập).
1.7. Cơ chế điều khiển chất lƣợng dịch vụ động giữa các miền IP.
1.7.1. Giới thiệu điều khiển chất lượng dịch vụ động.
Quản lý chất lượng dịch vụ động trong mạng IP gồm 2 vấn đề:
- Quản lý tài nguyên động trong một mạng IP.
- Thực hiện SLA động giữa các miền IP.
Để thực hiện điều khiển chất lượng dịch vụ động, một thực thể được đưa ra gọi là
“trung gian băng thông” (BB). Hình 1.1 là kiến trúc mạng để thực hiện điều khiển chất
lượng động trong qua miền mạng. Mỗi BB chịu trách nhiệm điều khiển chất lượng dịch vụ
động trong miền. Các BB giữa các miền trao đổi thông tin với nhau để đảm bảo chất lượng

dịch vụ end-to-end.
BB BB
Miền mạng 1
Miền mạng 2
Đầu cuối
Đầu cuối

Hình 1.1. Kiến trúc mạng hỗ trợ đảm bảo chất lƣợng dịch vụ end-to-end.
1.7.2. Kiến trúc điều khiển chất lượng dịch vụ động giữa các miền IP.
Trong phần này chỉ xem xét quản lý tài nguyên liên miền trong Diffserv. Phần này sẽ
xem xét kiến trúc 2-bit Diffserv của IETF, kiến trúc Qbone.

6

1.7.2.1. Mô hình 2-bit Diffserv.
Mô hình 2-bit Diffserv được mô tả trong RFC2638. Mô hình này được thiết kế hỗ trợ
2 dịch vụ gọi là “dịch vụ đảm bảo” và “dịch vụ có trả phí”. Mô hình này cho phép cả EF
PHB và AF PHB trong cùng một miền mạng Diffserv. Việc thực thi cả hai dịch vụ yêu cầu
cần thiết lập các bộ lọc gói thích hợp ở biên mạng thích hợp đối với mỗi dịch vụ. Trong
trường hợp mạng có nhiều dịch vụ, nhiều người dùng, RFC2638 đưa ra thực thể BB có
nhiệm vụ thay đổi cấu hình thiết bị phù hợp với với các dịch vụ mới được khởi tạo.
1.7.2.2. Mô hình Qbone.
Qbone đưa ra nhằm mục đích quản lý tài nguyên mạng giữa các miền khác nhau.
Trong Qbone, BB có thể giao tiếp với các thiết bị mạng như BB khác, router, server, hệ
thống mạng, hệ thống vận hành mạng. Như hình 1.2 mô tả các giao diện của BB đến các
thiết bị khác trong mạng.
BB
Giao diện
liên miền
Giao diện

trong miền
Giao
diện
người
dùng/
ứng
dụng
ứng dụng server
Người dùng/ máy trạm
Điều hành mạng
Router Router
BB khác BB khác

Hình 1.2. Các giao diện BB
1.8. Tổng kết chƣơng I
Chương I đã đưa ra định nghĩa về chất lượng dịch vụ, xem xét tổng quan về mô hình
đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP, kỹ thuật lưu lượng, mô hình quản lý mức dịch
vụ và điều khiển chất lượng dịch động trong & giữa các miền IP. Chất lượng dịch vụ là tập
hợp những ảnh hưởng trong quá trình thực hiện dịch vụ, những ảnh hưởng đó xác định mức
độ hài lòng của người sử dụng. Chất lượng dịch vụ phụ thuộc vào hiệu năng mạng nhưng lại

7

được đánh giá bằng sự đánh giá trung bình của người dùng. Các tham số đánh giá chất
lượng mạng gồm có: tỷ lệ mất gói, trễ truyền gói, jitter, tỷ lệ lỗi gói. Mỗi phân lớp dịch vụ
yêu cầu một chất lượng mạng xác định.
Trong mạng IP có 3 mô hình hỗ trợ chất lượng dịch vụ: mô hình nỗ lực tối đa, mô
hình Intserv, mô hình Diffserv. Mô hình nỗ lực tối đa không có sự đảm bảo chất lượng dịch
vụ cho các dịch vụ khác nhau. Mô hình Intserv sử dụng báo hiệu và đặt trước băng thông
cho mỗi luồng lưu lượng. Mô hình Diffserv cho rằng lưu lượng được phân loại ở biên mạng.

Tại mỗi nút mạng, mỗi phân lớp được xử lý khác nhau.
Kỹ thuật lưu lượng được sử dụng trong mạng IP để tối ưu hiệu năng mạng. Kỹ thuật
lưu lượng gồm 4 bước: lập chính sách mạng, thu thập dữ liệu mạng, phân tích mạng, tối ưu
mạng. Việc tối ưu mạng phải được thực hiện thường xuyên liên tục qua nhiều chu kỳ của
kỹ thuật lưu lượng. Để tối ưu về sử dụng băng thông có hai kỹ thuật lưu lượng thường được
sử dụng: kỹ thuật lưu lượng dựa trên IP và kỹ thuật lưu lượng dựa trên MPLS. Kỹ thuật lưu
lượng dựa trên IP tối ưu việc sử dụng băng thông bằng cách thay đổi bảng định tuyến tại
mỗi nút mạng. Đối với định tuyến tĩnh có thể thay đổi bảng định tuyến bằng cách cấu hình
bằng tay. Đối với định tuyến động thay đổi bảng định tuyến bằng cách thay đổi cost từng
liên kết. Kỹ thuật lưu lượng dựa trên MLPS thực hiện được nhờ tính năng hỗ trợ định tuyến
đa đường của MPLS, có nhiều LSP được thiết lập giữa hai chuyển mạch gói MPLS.
Để thực hiện kỹ thuật lưu lượng cần thu thập các thông tin về mạng. Thông tin về
mạng có thể thu thập từ các thiết bị trong mạng. Có hai cơ chế để thu thập thông tin các thiết
bị trong mạng: cơ chế polling hoặc thiết bị gửi báo cáo khi xảy ra một điều kiện xác định.
TMN đưa ra một khung quản lý mức dịch vụ gồm 5 chức năng: quản lý lỗi, quản lý
cấu hình, quản lý tính cước, quản lý hiệu năng, quản lý bảo mật. Mỗi chức năng được chia
thành 4 lớp con: lớp quản lý thiết bị, lớp quản lý mạng, lớp quản lý dịch vụ, lớp quản lý
kinh doanh.
Có thể thực hiện điều khiển chất lượng dịch vụ động. Điều khiển chất lượng dịch
động gồm 2 vấn đề: quản lý tải nguyên động trong một miền mạng và quản lý tài nguyên
qua nhiều miền mạng. Trong mỗi miền, thực thể BB có thể đảm trách nhiệm vụ điều khiển
chất lượng dịch vụ động trong một miền. BB có chức năng lưu vết các luồng lưu lượng đã
được cấp phát và có khả năng thay đổi cấu hình router biên cho phù hợp. Các BB trong các

8

miền khác nhau trao đổi thông tin để thực hiện đảm bảo chất lượng dịch vụ động từ đầu cuối
đến đầu cuối qua nhiều miền.

9

CHƢƠNG II. MỘT SỐ MÔ HÌNH HÀNG ĐỢI VÀ KHẢ NĂNG
ỨNG DỤNG TRONG MÔ HÌNH DIFFSERV
Sự ra đời và phát triển của các hệ thống mạng thông tin băng rộng với tốc độ cao và
khả năng truy nhập mọi nơi mọi lúc đã đáp ứng nhu cầu trao đổi của thông tin của khách

hàng. Vấn đề kỹ thuật lưu lượng không chỉ nhằm giải quyết vấn đề tắc nghẽn lưu lượng mà
còn giải quyết đồng thời cả vấn đề kinh tế - kỹ thuật. Trong chương này xem xét:
- Mô hình hàng đợi.
- Mô hình hàng đợi M/M/1, M/M/1/k, M/G/1.
- Mô hình hàng đợi ưu tiên tương đối M/G/1.
- Mô hình phục vụ LR.
- Ứng dụng của hàng đợi trong mô hình Diffserv.
2.1. Giới thiệu lý thuyết lƣu lƣợng.
2.1.1. Mô hình hàng đợi.
Một hệ thống hàng đợi gồm 3 thành phần: tiến trình đến, tiến trình xếp hàng và tiến
trình phục vụ. Hình 2.1 mô tả mô hình hàng đợi
Hàng đợi
Tiến trình đến
Tiến trình phục vụ
Server

Hình 2.1. Mô hình hàng đợi
Để mô tả về hệ thống hàng đợi D.G.Kendall đã đưa ra các ký hiệu A/B/n. Trong đó:
A tiến trình đến, B phân bố thời gian phục vụ, n số lượng các server. Tuy nhiên để xác định
một hệ thống hàng đợi cụ thể cần phải có nhiều thông tin mô tả hơn: A/B/n/K/N/X. Trong
đó: K tổng số vị trí chờ trong hệ thống, N số lượng các khách hàng, X nguyên tắc chờ đợi.
2.1.2. Chiến lược hàng đợi: nguyên tắc và tổ chức.
Khách hàng chờ trong hàng đợi có thể được lựa chọn để phục vụ theo nhiều nguyên
tắc khác nhau. Trước hết ta hãy xem xét 3 nguyên tắc hàng đợi cổ điển: FCFS đến trước
phục vụ trước, LCFS đến sau phục vụ trước, SIRO phục vụ theo trình tự ngẫu nhiên. Trong

10

thực tế, các khách hàng thường được phân chia thành p lớp ưu tiên khác nhau, trong đó một
khách hàng thuộc lớp ưu tiên v sẽ có mức ưu tiên cao hơn thuộc khách hàng thuộc lớp v+1.

2.1.3 Định lý Little.
Xét một hệ thống hàng đợi với các khách hàng đến theo một tiến trình ngẫu nhiên.
Mật độ cuộc gọi trung bình trong chu kỳ T là (T). Thời gian giữ trung bình trong hệ thống
của một cuộc gọi trong chu kỳ T là W(T). Số lượng trung bình các cuộc gọi trong hệ thống
trong chu kỳ T là L(T) = W(T).(T). Nếu tồn tại các giới hạn của  = lim
  
(T) và W =
lim
  0
(T) thì tồn tại giới hạn L(T) = W.  . Đây chính là định lý Little.
2.1.4. Tiến trình Poisson
 là số sự kiện đến trong khoảng một đơn vị thời gian. Phân bố Possion có đặc điểm
sau: giá trị trung bình và phương sai như sau: 
1
=
1

và 
2
=
1

2
. Nếu p(v,t) là xác suất xuất
hiện v sự kiện đến trong thời gian t: p(v,t) =
()

!



.
2.2. Hàng đợi FIFO
2.2.1. Nguyên lý hàng đợi FIFO
Hình 2.2 mô tả hàng đợi FIFO. Hàng đợi FIFO hoạt động trên nguyên tắc: tất cả các
lưu lượng đến đều được xếp hàng trong một hàng đợi, gói nào đến trước được phục vụ
trước. Hàng đợi có độ dài K . Các gói đến khi hàng đợi khi hàng đợi đầy đều bị loại bỏ.
FIFO
Lập lịch

Hình 2.2. Hàng đợi FIFO
2.2.2. Mô hình hàng đợi M/M/1
Giả thiết rằng: tần suất đến hàng đợi với tốc độ , hệ thống có một server và server
có tốc độ phục vụ , hệ thống hàng đợi chỉ sử dụng một server, hàng đợi hoạt động theo
nguyên tắc FIFO và hàng đợi có độ dài không giới hạn (không có gói nào bị loại bỏ khi đến

11

hàng đợi). Đặt  =


. Số khách hàng trung bình trong hệ thống 

=

1 
và trễ trung bình
trong hàng đợi 

=
1


.
2.2.3. Mô hình hàng đợi M/M/1/k
Mô hình M/M/1 mô tả hệ thống hàng đợi FIFO có độ dài hàng đợi vô hạn. Tuy nhiên
trong thực tế, độ dài hàng đợi là hữu hạn. Độ dài hàng đợi trung bình:


=


1  

 +1
1  
+1

+1
nu  1

2
nu  = 1


Thời gian trung bình trong hàng đợi: 

=




Xác suất mất gói: 

= 

=




+1

1  
+1
  1
1
+1
  = 1


2.2.4. Mô hình hàng đợi M/G/1
Giả thiết rằng thời gian phục vụ gói là iid có thời gian phục vụ trung bình
1

(s) và có
độ lệch chuẩn 

. Tiến trình đến là Poisson có tốc độ . Đặt  =


. Thời gian đợi của một

gói đến bất kỳ: E[Q] =  +

2
+
2


2
2(1)
. Đây chính là công thức Pollaczek-Khintchine.
2.3. Hàng đợi ƣu tiên.
2.3.1. Nguyên lý hàng đợi ưu tiên.
Hình 2.3 biểu diễn hệ thống hàng đợi ưu tiên (PQ). Hệ thống hàng đợi PQ gồm N
hàng đợi có mức ưu tiên từ cao đến đến thấp, tức là hàng đợi p có mức ưu tiên cao hơn p+1,
p+2.

12

Lập lịch
Hàng đợi 1
Hàng đợi 2
Hàng đợi n
Thứ tự ưu tiên
Đầu ra

Hình 2.3. Hàng đợi ƣu tiên PQ
2.3.2. Mô hình hàng đợi ưu tiên M/G/1.
Giả sử các gói đến được chia thành N lớp khác nhau với các mức ưu tiên khác nhau.
Các khách hàng của lớp i đến theo tiến trình Possion với cường độ đến 


khách hàng trên
một đơn vị thời gian và thời gian phục vụ trung bình là 

. Mô mem bậc 2 của phân bố thời
gian phục vụ được ký hiệu là 
2
và lưu lượng phát sinh mỗi lớp 

= 



. V là thời gian
phục vụ khách hàng còn lại của một khách hàng V=



2

2

=1
=




=1
. Đối với hàng đợi
ưu tiên tương đối. Nếu 


là thời gian chờ đợi trung bình đối với khách hàng trong lớp ưu
tiên p thì 

=

(1
1

)[1


)]
. Trong đó: 


=




=0
và 
0
=0.

13

2.4. Hàng đợi WFQ
2.4.1. Nguyên lý hàng đợi WFQ

Lập lịch
Hàng đợi 1
Hàng đợi 2
Hàng đợi n
Quay vòng
Đầu ra

Hình 2.4 Hàng đợi WFQ
Hình 2.4 mô tả hàng đợi WFQ. Tương tự hàng đợi PQ, hàng đợi WFQ cũng có N
hàng đợi. Lưu lượng đến sau khi được phân loại đi vào các hàng đợi khác nhau. Tuy nhiên
có sự khác biệt giữa hàng đợi PQ và WFQ. Mỗi hàng đợi trong WFQ có 1 trọng số 

và
thỏa mãn điều kiện sau:




=1
=1. WFQ lập lịch dựa trên giả thiết rằng mỗi lần hàng đợi
phục vụ nó chỉ gửi đi 1 bit ở đầu hàng đợi. Khi một gói tập hợp hết đủ các bit của gói thì
gói đó được truyền đi. Vì vậy những gói lớn sẽ phải chờ lâu để được truyền đi.
2.4.2. Mô hình phục vụ LR
Giả sử rằng có V phiên chia sẻ tài nguyên đến một đầu ra của một chuyển mạch gói.
Giả thiết rằng, tại một thời điểm server chỉ phục vụ một hàng đợi. 

là tốc độ cấp phát cho
hàng đợi i, 

là kích thước thùng chứa thẻ ở đầu vào hàng đợi. Giả sử 


( t) là số lượng lưu
lượng xếp hàng trong hàng đợi i ở thời điểm t. Nếu S là server LR và lưu lượng đầu vào
hàng đợi i được định hình bằng thẻ thùng chứa thẻ, thì trễ lớn nhất 


của bất kỳ gói nào
trong hàng đợi i trong S được cho bởi công thức: 







+ 


và độ dài hàng đợi 


(t) của
hàng đợi i ở thời điểm t thỏa mãn: 


(t)  

+ 





. Trong đó 


là trễ phục vụ một gói
của server.

14

2.5. Ứng dụng hàng đợi trong mô hình Diffserv.
Khi có nhiều luồng lưu lượng đến một đầu ra. Để chia sẻ tài nguyên hạn chế cần thiết
lập lịch thứ tự các gói lưu lượng đến để truyền đến đầu ra. Việc thiết lập thứ tự các gói
truyền đi có thể thực hiện bằng các hàng đợi với các thuật toán phù hợp. Ngoài các hàng đợi
FIFO, PQ, WFQ được mô tả ở trên, Diffserv còn sử dụng các hàng đợi công bằng (FQ),
hàng đợi quay vòng có trọng số (WRR), hàng đợi dựa trên sự phân lớp (CBQ). Hình 2.5 mô
tả quá trình xử lý gói tin ở một giao diện đầu ra.
Lớp
1
Lớp
n
Lớp
2
Thêm/ loại bỏ gói
Thêm/ loại bỏ gói
Thêm/ loại bỏ gói
Hàng đợi 1
Hàng đợi n
Hàng đợi 2
Lập

lịch
Các gói đến
Giao điện đầu ra

Hình 2.5. Quá trình xử lý gói tin ở một giao diện đầu ra
2.6. Tổng kết chƣơng II
Chương II đã xem xét về một số mô hình hàng đợi và ứng dụng của hàng đợi trong
mô hình Diffserv. Hệ thống hàng đợi gồm 3 thành phần: tiến trình đến, tiến trình xếp hàng
(lập lịch), tiến trình phục vụ. Tiến trình đến được đặc trưng bởi thời điểm đến 

của gói n
và khoảng thời gian giữa hai lần đến 

= 
+1
- 

. Tiến trình đến quan trọng nhất là tiến
trình Possion. Tiến trình phục vụ đặc trưng bởi thời gian phục vụ 

của gói n. Tiến trình
xếp hàng được đặc trưng bởi thời gian chờ 

trong hàng đợi của gói thứ n, số lượng gói
trong hàng đợi 

(t) ở thời điểm t. DG.Kendall đã đưa ra ký hiệu A/B/n để mô tả hệ thống
hàng đợi. Trong đó, A mô tả tiến trình đến, B mô tả tiến trình phục vụ, n là số lượng server.
Trong chương này đã nghiên cứu một số mô hình hàng đợi M/M/1, M/M/1/k, M/G/1, mô
hình hàng đợi ưu tiên tương đối M/G/1, mô hình LR.

15

Mô hình Diffserv hoạt động trên nguyên tắc đơn giản là: mỗi khi lưu lượng đi vào
trong mạng được phân loại, tại mỗi nút trong mạng dựa vào sự phân loại để có hành vi ứng
xử phù hợp với mỗi loại lưu lượng. Phân loại lưu lượng là nhóm các lưu lượng khác nhau
vào các phân lớp khác nhau. Các phân lớp lưu lượng khác nhau được đánh dấu bằng cách
thiết lập giá trị DSCP cho mỗi gói tin. Giá trị này sẽ xác định gói được xử lý như thế nào tạo
các nút mạng. Tại mỗi nút sau khi được phân loại sẽ đi đến các hệ thống hàng đợi ở đầu ra.
Có nhiều nguyên tắc xếp hàng như FIFO, PQ, WFQ, FQ, WRR được đưa ra để giải quyết
một số bài toán nhất định trong mạng. Hàng đợi FIFO không phân biệt lưu lượng nhưng lại
thường được hay sử dụng ở các giao diện có tốc độ cao. Hàng đợi PQ ưu tiên các mức lưu
lượng cao được phục vụ trước. Hàng đợi FQ chia sẻ băng thông đầu ra cho tất cả các luồng
lưu lượng. Hàng đợi WFQ, WRR phân loại lưu lượng thành nhiều phân lớp, mỗi phân lớp
được đảm bảo băng thông đầu ra được thiết lập trước.

16

CHƢƠNG III. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG THỰC THI MỘT SỐ LOẠI
HÀNG ĐỢI TRONG MÔ HÌNH DIFFSERV
Chương I giới thiệu tổng quan về chất lượng dịch vụ trong mạng IP. Chương II đưa
ra một số mô hình hàng đợi và khả năng ứng dụng trong mô hình DiffServ. Trong chương
này sẽ nghiên cứu:
- Giới thiệu về phần mềm Opnet.
- Mô phỏng hàng đợi M/M/1.
- Đánh giá hiệu năng hàng đợi FIFO, PQ, WFQ sử dụng trong mô hình Diffserv
3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng OPNET
Phần mềm mô phỏng Opnet là một công cụ gồm có thiết kế mô hình mạng, mô
phỏng, khai thác và phân tích dữ liệu. Hình 3.1 mô tả các bước thực hiện để mô phỏng trong
Opnet.
Tạo mô hình
mạng
Hiển thị và
phân tích kết
quả
Mô phỏng
Chọn kết quả
thống kê

Hình 3.1. Các bƣớc thực hiện mô phỏng mạng trong Opnet
Trong chương này sẽ mô phỏng hàng đợi M/M/1 và đánh giá hiệu năng hàng đợi
FIFO, PQ, WFQ trong mô hình Diffserv bằng phần mềm mô phỏng Opnet qua đó đưa ra
một số nhận xét.
3.2. Hàng đợi FIFO
3.2.1. Mô hình mô phỏng
Hình 3.2 là mô hình mô phỏng hệ thống hàng đợi có một hàng đợi hoạt động theo

nguyên tắc FIFO có một server phục vụ. Hệ thống hàng đợi gồm: hai đối tượng tiến trình
(một dành cho tiến trình phát & một tiến trình nhận), một hàng đợi có độ dài vô hạn có một
server phục vụ.
3.2.2. Các kịch bản mô phỏng
Các kịch bản gồm có:
- Kịch bản 1: Khi thay đổi tốc độ phục vụ của server.

17

- Kịch bản 2: Khi thay đổi tốc độ của tiến trình phát.
- Kịch bản 3: Khi thay đổi kích thước gói đến.

Hình 3.2. Mô hình mô phỏng hệ thống hàng đợi
3.2.3. Kết quả mô phỏng.
- Kịch bản 1: Hàng đợi M/M/1 khi thay đổi tốc độ phục vụ của server (tốc độ đến
=1 gói/s, kích thước gói trung bình 
0
= 1024 bit/s, tốc độ phục vụ server  = C/
0
).
Tốc độ phục vụ (bit/s)
1050
1100
1150
1200
Trễ hàng đợi trung bình (s)
34,9
11,76
7.5
5,47

Độ dài hàng đợi trung bình (gói)
35,7
12,5
7,9
6,08
Trễ hàng đợi tính toán (s)
49
13,28
8,09
5,7
Độ dài hàng đợi tính toán (gói)
49
13,28
8,09
5,7
- Kịch bản 2: Khi thay đổi tốc độ tiến trình phát (kích thước gói trung bình 
0
= 1024
bit/s, tốc độ phục vụ sever C=1200bit/s, tốc độ phục vụ  = C/
0
= 1200/1024 gói/s )
Tốc độ đến (gói/s)
1
0,5
1/3
0,2
Trễ hàng đợi trung bình (s)
5,47
1,56
1,23

1,07
Độ dài hàng đợi trung bình (gói)
6,08
1,3
0,93
0,74
Trễ hàng đợi tính toán (s)
5,7
1,51
1,3
1.05

18

Độ dài hàng đợi tính toán (gói)
5,7
0,75
0,39
0,21
- Kịch bản 3:
Kích thước gói đến
Trễ hàng đợi trung
bình
Độ dài hàng đợi
trung bình
Phân bố theo hàm mũ (
0
=1024)
1,07
0,74

Kích thước không đổi (
0
= 1024)
0,95
0,71
3.2.4. Nhận xét đánh giá
Từ các kết quả mô phỏng phần 3.2.3 có một số nhận xét sau:
- Nếu tốc độ đến , kích thước gói trung bình 
0
không đổi, khi tốc độ phục vụ
server tăng thì làm giảm trễ hàng đợi trung bình và kích thước hàng đợi trung bình.
- Nếu kích thước gói trung bình, tốc độ phục vụ server không đổi khi tốc độ đến tăng
sẽ làm tăng trễ hàng đợi trung bình và kích thước hàng đợi trung bình.
- Khi tốc độ đến có phân bố Possion thì trễ hàng đợi, kích thước hàng đợi trung bình
của hệ thống có thời gian phục vụ không đổi (hằng số) nhỏ hơn hệ thống hàng đợi có thời
gian phục vụ theo phân bố Possion.
3.3. Đánh giá hiệu năng một số hàng đợi trong mô hình Diffserv.
3.3.1. Mô hình mô phỏng
Hình 3.3 là mô hình mô phỏng hệ thống mạng. Hệ thống có 3 luồng lưu lượng hội
nghị truyền hình với các mức ưu tiên khác nhau:
- Luồng 1: lưu lượng hội nghị truyền hình từ ToS 1 đến S1, mức ưu tiên 1.
- Luồng 2: lưu lượng hội nghị truyền hình từ ToS 2 đến S2, mức ưu tiên 2.
- Luồng 3: lưu lượng hội nghị truyền hình từ ToS 4 đến S4, mức ưu tiên 4.
Các máy tính kết nối với router bằng liên kết 100baseT (tốc độ 100Mbp). Router
được kết nối với nhau bằng liên kết PPP_28K (tốc độ 28kb/s). Lập lịch được thực hiện ở
giao diện đầu ra node_2. Mặc định tốc độ truyền giữa 2 router qua liên kết PPP_28K được
thiết lập 75% tốc độ truyền tối đa vì vậy có tốc độ đầu ra 28000 x 75% = 21000 bit/s. Các
luồng lưu lượng đều là lưu lượng sử dụng giao thức UDP có tham số sau: kích thước một
khung 80 byte (hay 640 bit) một khung dữ liệu được đóng gói trong một gói IP, khoảng đến

19

giữa các khung có phân bố theo hàm mũ và có giá trị trung bình 0.167 khung/s hay tốc độ
đến 6 gói/s.

Hình 3.3. Mô hình mô phỏng hệ thống mạng
3.3.2. Các kịch bản mô phỏng hàng đợi.
Các kịch bản đưa ra gồm có:
- Kịch bản 1: Tại node_2 sử dụng hàng đợi FIFO.
- Kịch bản 2: Tại node_2 sử dụng hàng đợi PQ.
- Kịch bản 3: Tại node_2 sử dụng hàng đợi WFQ.
3.3.3. Kết quả mô phỏng
Sau khi thực hiện mô phỏng, kết quả như sau:
- Tốc độ phục vụ trung bình trên liên kết giữa node_2 & node_3 là
21000
17702/18
= 21,3
gói/s.
- Tổng tốc độ đến node_2 là 3 x 6 = 18 gói/s, tốc độ phục vụ là 21,3 gói/s. Độ dài
hàng đợi FIFO trung bình theo tính toán là 5,7 (gói), trễ hàng đợi theo tính toán là 0,32s. Độ
dài hàng đợi FIFO trung bình theo mô phỏng là 1,5 gói/s, trễ hàng đợi theo mô phỏng là
0,085s.
- Hình 3.4 biểu diễn độ dài trung bình các hàng đợi khác nhau trong PQ.

20


Hình 3.4 Độ dài trung bình các hàng đợi khác nhau trong PQ.
- Hình 3.5 biểu diễn trễ trung bình các hàng đợi khác nhau trong PQ.

Hình 3.5 Trễ trung bình các hàng đợi khác nhau trong PQ
- Hình 3.6 biểu diễn độ dài trung bình các hàng đợi khác nhau trong WFQ.

21


Hình 3.6. Độ dài trung bình các hàng đợi khác nhau trong WFQ.
- Hình 3.7 biểu diễn trễ trung bình ở các hàng đợi khác nhau trong WFQ.

Hình 3.7. Trễ trung bình các hàng đợi khác nhau trong WFQ.

22

Đối với hàng đợi PQ, trễ các hàng đợi theo tính toán như sau: trễ hàng đợi 3 là 
3
=
0,0225
10,28
= 0,031(s), trễ hàng đợi 2 là 
2
=
0,031
10,28 0,28
= 0,07 (s), trễ hàng đợi 1 là 
1
=
0,07
10,280,280,28
= 0,437 (s).
3.3.4. Nhận xét đánh giá

Từ kết quả mô phỏng hình phần 3.3.3 có một số nhận xét:
- Trong kịch bản FIFO giá trị hàng đợi trung bình và trễ trung bình hàng đợi theo mô
phỏng và tính toán có giá trị khác nhau do trên thực tế độ dài hàng đợi không tiến tới giá trị
, độ dài hàng đợi có giá trị lớn nhất là 2 vì vậy giá trị trung bình theo mô phỏng có giá trị
là 1.5 gói.
- Hàng đợi PQ ưu tiên lưu lượng có mức ưu tiên từ cao xuống thấp vì vậy trong hình
3.4 độ dài trung bình hàng đợi 
0
lớn nhất rồi đến 
1
, 
2
(hàng đợi 
0
dành cho lưu lượng
có giá trị ToS là 0,1; Hàng đợi 
1
dành cho lưu lượng có giá trị ToS là 2,3; Hàng đợi 
2

dành cho lưu lượng có giá trị ToS là 3,4). Độ dài trung bình hàng đợi ngắn, tốc độ đến
không đổi vì vậy trễ trung bình hàng đợi giảm dần theo thứ tự 
2
, 
1
, 
0
kết quả như hình
3.5. Giá trị trễ trung bình, độ dài hàng đợi trung bình các hàng đợi trong PQ theo mô phỏng
và tính toán có giá trị gần giống nhau.

- Hàng đợi WFQ gồm 8 hàng đợi, hàng đợi 0 và 1 mỗi hàng đợi được cấp phát 5%
băng thông đầu ra, hàng đơi 2 và 3 mỗi hàng đợi được cấp phát 10% băng thông đầu ra,
hàng đợi 4 và 5 mỗi hàng đợi được cấp phát 15% băng thông đầu ra, hàng đợi 6 và 7 mỗi
hàng đợi được cấp phát 20% băng thông đầu ra. Trong mô hình có 3 loại lưu lượng với mức
ưu tiên 1, 2, 4. Các lưu lượng đi vào hàng đợi 1, 2, 4. Hàng đợi 4 được cấp phát băng thông
nhiều hơn hàng đợi 2, 1 vì vậy độ dài hàng đợi trung bình hàng đợi 4 ngắn và có trễ nhỏ.
Trong khi đó hàng đợi 1 có độ dài hàng đợi lớn hơn và trễ cao nhiều hơn hàng đợi 2.
3.4. Tổng kết chƣơng III.
Chương III đã giới thiệu về phần mềm Opnet sử dụng trong mô phỏng mạng. Trong
chương này đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số đến mô hình hàng đợi M/M/1. Các
tham số ảnh hưởng đến mô hình hàng đợi M/M/1 là: tốc độ đến , kích thước gói trung bình

23


0
, tốc độ phục vụ server. Có nhiều nguyên tắc lập lịch được sử dụng mô hình Diffserv.
Mỗi một chiến lược hàng đợi được đưa ra để giải quyết một bài toán nhất định.