Nghiên cứu kỹ thuật quản lý băng thông trên mạng IP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG



NGUYỄN VĂN TIẾN


NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT QUẢN LÝ
BĂNG THÔNG TRÊN MẠNG IP

NGÀNH : TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH
MÃ SỐ : 60.48.15
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. LÊ VĂN PHÙNG

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



HÀ NỘI - 2010





1


Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu về bộ giao thức
1.1.1 Giới thiệu chung
Bộ giao thức TCP/IP, gọi tắt là TCP/IP, là một bộ các giao thức truyền thông cài
đặt chồng giao thức mà Internet và hầu hết các mạng máy tính thương mại đang chạy trên
đó. Bộ giao thức này được đặt tên theo hai giao thức chính của nó là TCP (Giao thức Điều
khiển Giao vận) và IP (Giao thức Liên mạng). Chúng cũng là hai giao thức đầu tiên được
định nghĩa.
1.1.2 Cấu trúc phân lớp của bộ giao thức TCP/IP
Bộ giao thức TCP/IP được chia thành 4 lớp, hình 1.1 trình bày cấu trúc phân lớp
của bộ giao thức TCP/IP so sánh với mô hình 7 lớp OSI, mỗi lớp có chức năng và nhiệm vụ
khác nhau.

Hình 1.1: Mô hình phân lớp TCP/IP
1.1.3 Các đặc thù của mạng IP
Mạng IP hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển mạch gói. Dữ liệu được truyền tải
dưới dạng các gói IP ở lớp mạng (network layer). Mỗi gói là một chuỗi bit bao gồm các bit
của dữ liệu cần chuyển và các bit do giao thức mạng gắn thêm. 24 byte đầu tiên (tức là 192
bit đầu tiên) của gói IP mang thông tin của các giao thức, ví dụ như địa chỉ IP của máy gửi
và máy nhận, chủng loại giao thức lớp truyền tải đang dùng Phần này thường được nhắc

2
đến dưới tên gọi phần mào đầu, cấu trúc phần mào đầu được trình bày trong hình 1.2. Cần
nhấn mạnh rằng mọi xử lý liên quan đến gói IP, như xác định đường truyền, phân loại gói,
đều dựa hoàn toàn vào những thông tin nằm trong phần mào đầu.

Hình 1.2: Cấu trúc phần mào đầu gói IP
1.2 Phân lớp lưu lượng

1.2.1 Phân lớp lưu lượng ở mức lớp mạng
Việc phân lớp lưu lượng được thực hiện tại cả lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) và lớp 3
(lớp mạng) trong mô hình OSI.
Để sắp xếp các luồng dữ liệu IP thành các lớp khác nhau nhằm phục vụ cho các
chính sách QoS khác nhau, chúng ta sử dụng 3 bit đầu tiên trong trường loại dịch vụ
(Service Type - ToS) trong phần mào đầu của gói dữ liệu IP. 3 bit này được gọi là trường IP
Precedence và có giá trị mặc định là 0. Trường IP Precedence bằng 0 có nghĩa là gói tin này
sẽ được truyền theo kiểu không có am kết QoS (Best Effort). 7 bit còn lại của trường IP
Precedence dùng để phân chia lưu lượng IP thành 7 lớp dịch vụ có thứ tư ưu tiên tăng dần,
cấu trúc trường IP Precedence được trình bày trong hình 1.3.

Hình 1.3: Phân lớp lưu lượng theo IP Precedence
1.2.2 Phân lớp lưu lượng ở mức lớp liên kết dữ liệu
Trong phần mào đầu của khung dữ liệu ở lớp liên kết dữ liệu không có trường nào
phục vụ cho việc phân lớp lưu lượng. Tuy nhiên ta có thể phân lưu lượng dựa vào việc chèn
thêm các thẻ định danh VLAN gọi là tag theo giao thức 802.1Q/p. Mỗi tag gồm 4 byte trong
đó trường CoS gồm 3 bit (cấu trúc chi tiết của tag được trình bày trong hình 1.4) được dùng

23
trước, tỷ lệ huỷ gói tin thấp ngay cả đối với các lớp cao hơn và đã được kiểm soát độ trễ và
biến thiên độ trễ gói.

Hình 4.6: Tỷ lệ mất gói
Kết quả này
cho thấy giải thuật
thích nghi đã hoạt
động tốt với việc
thay đổi các điều
kiện lưu lượng mà
vẫn có thể đạt

được thông lượng
cao hơn.


22



Hình 4.5: Độ biến thiên trễ của các lớp lưu lượng
4.5.3 Tỷ lệ mất gói
Theo như hình 4.5 ta thấy các giải thuật điều khiển lưu lượng vào thích nghi huỷ
bỏ gói tin ít hơn (thậm chí là bằng 0) so với giải thuật CAR. Như ta thấy trong các phần

3
để phân lớp lưu lượng. Như vậy tại mức liên kết dữ liệu chúng ta cũng có thể phân chia lưu
lượng thành 8 lớp với các mức ưu tiên tăng dần tương tư như khi sử dụng IP Precedence tại
lớp mạng của gói tin IP.

Hình 1.4: Cấu trúc tag trong khung dữ liệu 802.1Q/p
1.2.3 Quản lý nghẽn lưu lượng
Các kỹ thuật quản lý nghẽn lưu lượng cho phép chúng ta quản lý nghẽn bằng cách
xác định thứ tự gửi gói tin tại cổng giao tiếp đầu ra dựa trên độ ưu tiên của gói tin. Công việc
quản lý nghẽn bao gồm việc thiết lập các hàng đợi, gán các lớp lưu lượng vào các hàng đợi
đó và phân phối các gói tin trong hàng đợi tại cổng giao tiếp đầu ra.
Kỹ thuật xử lý nghẽn được sử dụng phổ biến là RED. RED sẽ huỷ các gói tin một
cách ngẫu nhiên để phòng tránh nghẽn xãy ra. Giải thuật RED sẽ tính kích thước hàng đợi
trung bình (Q) sử dụng hàm trung bình di chuyển trọng số mũ (EWMA). Sau đó so sánh Q
với các ngưỡng hàng đợi định nghĩa trước là T
l
và T

h
. Nếu Q lớn hơn T
l
và nhỏ hơn T
h
, nó
đánh dấu gói tin trong hàng đợi
1.3 Các giải pháp QoS
1.3.1 Cấu trúc tích hợp dịch vụ IntServ
Một mạng IntServ điển hình chứa các bộ định tuyến biên và các bộ định tuyến lõi
(xem hình vẽ 1.5). Trước khi bắt đầu truyền dữ liệu của một luồng IP vi mô, đầu gửi thông
báo một số số liệu liên quan đến lưu lượng sẽ được chuyển (như tốc độ gửi lưu lượng trung
bình của đầu gửi, độ lớn cho phép của những cụm bùng phát lưu lượng) cho bộ định tuyến
biên.

4

Hình 1.5: Cấu trúc QoS tích hợp dịch vụ
Giao thức báo hiệu RSVP sẽ đưa ra quyết định luồng IP từ nút H1 đến nút H2 có
thể được mạng IntServ phục vụ hay không. Trước hết, RSVP xác định và xây dựng đường
truyền cho luồng IP bằng tin PATH. Đường truyền này đi qua các bộ định tuyến R1, R2, R3.
Tiếp đó dung lượng sẽ được chiếm giữ cho đường truyền theo chiều từ nút nhận ngược trở
lại nút gửi. Sự chiếm giữ được thực hiện bằng tin RESV của giao thức RSVP.
1.3.2 Cấu trúc DiffServ
Nguyên lý hoạt động của cấu trúc DiffServ bao gồm những điểm cơ bản sau. Khi
bắt đầu đi vào mạng DiffServ mà trực tiếp là tại bộ định tuyến biên, gói IP sẽ được phân
loại. Bộ định tuyến biên thực hiện việc phân loại bằng cách kiểm tra mã DSCP (hoặc IP
Precedence) chứa chủng loại dịch vụ nằm trong phần đầu gói cùng với một số dữ liệu khác
liên quan đến luồng vi mô của gói IP (như địa chỉ đầu gửi, địa chỉ đầu nhận).
Có hai phương pháp chính có thể tuân theo khi triển khai thuật toán điều khiển lưu

lượng vào trên nền mạng DiffServ. Phương pháp thứ nhất là điều chỉnh dùng cấu trúc Broker
dung lượng. Phương pháp thứ hai là điều chỉnh dựa vào các kết quả đo đạc, giám sát trạng
thái của mạng. Ở phương pháp thứ nhất, một thiết bị đặc biệt được gọi là Broker dung lượng
được lắp đặt (xem hình 1.6).

21
4.5.2 Độ biến thiên trễ
Qua hình 4.4 chúng ta thấy biến thiên độ trễ của các lớp thấp hơn là cao hơn, biến
thiên độ trễ của lưu lượng video class 3 là thấp nhất.




20



Hình 4.4: Độ trễ gói của các lớp lưu lượng

5

Hình 1.6: Cấu trúc QoS DiffServ



6
Chương 2 QUẢN LÝ BĂNG THÔNG TĨNH

2.1 Giới thiệu
Điều khiển lưu lượng vào sẽ điều tiết gói dữ liệu đến giao diện mạng đầu vào.

Phân phối lưu lượng ra định nghĩa quy tắc dịch vụ hàng đợi cho các giao diện mạng đầu ra
bao gồm thứ tự các gói tin được thực sự chuyển đi. Mô hình quản lý băng thông gồm như
vậy được gọi là mô hình quản lý băng thông tĩnh (xem hình 2.1).

Hình 2.1: Mô hình quản lý băng thông tĩnh
2.2 Điều khiển lưu lượng vào
2.2.1 Giải thuật thùng đựng thẻ
Thùng đựng thẻ là một cơ chế điều khiển lưu lượng vào dựa trên sự xuất hiện của
các thẻ trong thùng, xem hình 2.3.
Giải thuật thùng thẻ được trình bày như sau, xem hình 2.4:
Mỗi thẻ được đưa vào thùng với tốc độ 1/r giây.
Thùng chỉ có thể chứa tối đa b thẻ. Một thẻ sẽ bị huỷ bỏ nếu khi thẻ đến gặp lúc
thùng đầy.
Khi một gói tin n byte truyền đến, n thẻ sẽ được loại khỏi thùng, sau đó gói tin sẽ
được truyền qua.
Nếu số thẻ còn trong thùng nhỏ hơn n, gói tin sẽ không được truyền và được gọi là
không đúng điều kiện (non-conformant), thẻ cũng sẽ không bị loại khỏi thùng.

Hình 2.3: Kỹ thuật thùng đựng thẻ
Giải thuật cho phép tốc độ đỉnh tối đa b byte, nhưng tốc độ truyền gói tin của hệ
thống bị giới hạn ở tốc độ r. Các gói tin không đúng điều kiện có thể được xử lý theo các
cách sau:

19




18

Hình 4.3: Chồng giao thức Router trong Opnet Modeler
Các giao diện của bộ định tuyến được điều khiển bởi tiến trình ip_output_iface,
việc điều khiển lưu lượng vào được thực hiện bởi tiến trình này. Thư viện ip_qos_support
cài đặt các giải thuật điều khiển lưu lượng vào, còn thư viện oms_qm cài đặt các giải thuật
phân phối lưu lượng PQ, WFQ và CBQ.
Khi một gói tin đến giao diện bộ định tuyến, nó được phân loại theo cấu hình trong
đối tượng QoS. Hàm IpQosCarPolicyLimit() quyết định việc chấp nhận hoặc loại bỏ một gói
tin.
4.5 Đánh giá kết quả
Sau khi thực hiện mô phỏng, chúng ta phân tích các tiêu chí chất lượng dịch vụ (độ
trễ gói, độ biến thiên trễ, tỷ lệ mất gói) của hệ thống căn cứ vào hệ thống các báo cáo phân
tích kết quả mô phỏng.
4.5.1 Độ trễ gói
Qua hình 4.3 chúng ta thấy độ trễ gói giữa các lớp lưu lượng khác nhau là khác
nhau, độ trễ gói của lưu lượng nhạy cảm với độ trễ là lưu lượng video (class 3) có độ trễ thấp
nhất.

7
- Có thể bị huỷ
- Có thể được xếp hàng và chờ cho đến khi đủ thẻ trong thùng
- Có thể được truyền qua, nhưng được đánh dấu là không đúng điều kiện, và có thể
bị huỷ nếu hệ thống mạng trong tình trạng quá tải.


Hình 2.4: Giải thuật thùng đựng thẻ
2.2.2 Điều khiển lưu lượng vào
Điều khiển lưu lượng vào là đảm bảo tài nguyên mạng không được quá tải. Nói
cách khác, nó phải đảm bảo rằng tổng tỷ lệ đăng ký sử dụng tài nguyên của mọi luồng lưu
lưọng truyền qua mọi kết nối mạng là không lớn hơn dung lượng của kết nối. Phương trình
toán học biểu diễn như sau:




n
i
R
i
1


Trong đó µ, là dung lượng kết nối tính theo bit/giây (bits/second) và R
i
là tỷ lệ lưu
lượng của luồng thứ i.
2.2.3 Các thành phần điều khiển lưu lượng vào
Các giải thuật điều khiển lưu lượng vào có 4 thành phần then chốt sau đây:
Profile lưu lượng
Đo lường lưu lượng
Điều kiện chấp nhận
Quyết định chấp nhận
2.2.4 Phân lớp các giải thuật điều khiển lưu lượng vào.

Hình 2.5: Phân lớp giải thuật điều khiển lưu lượng

8
Điều khiển theo cuộc gọi
Điều khiển lưu lượng vào theo chính sách
Điều khiển luồng lưu lượng vào
Một cách tiếp cận khác đối với điều khiển lưu lượng vào trong mạng IP là cài đặt
trên cổng vào/ra của bộ định tuyến. Một trong những cài đặt thương mại phổ biến nhất của

giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo bộ định tuyến là kỹ thuật tốc độ truy nhập cam kết
(CAR). Việc cài đặt của CAR bao gồm điều khiển lưu lượng theo luồng và phân lớp các
luồng dựa trên TOS, địa chỉ IP nguồn, đích, giao thức, chỉ số cổng. Giải thuật CAR được
trình bày như sau (xem hình 2.6):

Hình 2.6: Giải thuật CAR
Phân lớp lưu lượng: Dựa vào các điều kiện như IP precedence, DSCP hay CoS,
lưu lượng được chia thành các lớp khác nhau để xử lý.
Đo lường lưu lượng: CAR sử dụng giải thuật thùng thẻ trình bày ở trên để thực
hiện việc tính toán tốc độ luồng dữ liệu.
Thực thi chính sách: Một chính sách là tổ hợp của nhiều yếu tố khác nhau.
2.3 Phân phối lưu lượng ra
Cơ sở của việc phân phối lưu lượng ra là cấu trúc hàng đợi. Bộ phân phối lưu
lượng quyết định trật tự ra khỏi hàng của các phần tử trong hàng đợi, vì vậy chúng liên quan
đến việc cấp phát tài nguyên trong các bộ chuyển mạch và định tuyến, mô hình tổng quát của
bộ phân phối lưu lượng ra như trong hình 2.7.

Hình 2.7: Mô hình phân phối lưu lượng ra
2.3.1 Các thành phần của các giải thuật phân phối lưu lượng ra
Các giải thuật xử lý hàng đợi nhằm đưa ra 3 thông số liên quan đến việc truyền gói
tin sau đây:
Băng thông – dành để truyền gói tin.

17
4.4.2 Cài đặt hệ thống mô phỏng
Hệ thống mà đề tài nghiên cứu ở trên được cài đặt trong Opnet Modeler (version
10.0) như hình vẽ 4.2.

Hình 4.2: Cài đặt hệ thống mô phỏng trên Opnet Modeler
Các thư viện định nghĩa ứng dụng gồm thư viện Application Definition (viết tắt

là App Def) và Profile Definition Definition (viết tắt là Profile Def) .
Thư viện định nghĩa các kỹ thuật QoS là IP QoS Definition (viết tắt là IP QoS).
Đây là nơi ta có thể định nghĩa các kỹ thuật QoS như CAR, WFQ… đáp ứng các yêu cầu
cho các nội dung mô phỏng.
Các thiết bị mạng gồm các máy tính trạm, máy tính chủ để triển khai các dịch vụ
mạng và đặc biệt là hai bộ định tuyến Router_1 và Router_2 kết nối hai phần mạng LAN của
hệ thống lại với nhau.
4.4.3 Cài đặt các giải thuật quản lý băng thông động
Trong Opnet Modeler, mỗi bộ định tuyến được thiết kế gồm nhiều node theo kiểu
chồng giao thức. Hình 4.3 trình bày mô hình phân cấp các tiến trình của bộ định tuyến
Router_1, tại bộ định tuyến này chúng ta cần cài đặt các giải thuật điều khiển lưu lượng
nhằm đáp ứng các yêu cầu QoS.

16
- OPNET Modeler sử dụng phương pháp mô hình hoá hướng đối tượng và các bộ
soạn thảo đồ hoạ để mô phỏng cấu trúc các hệ thống mạng thực tế và các thành phần mạng,
do đó chúng ta có thể ánh xạ một cách trực quan hệ thống thực tế.
- OPNET Modeler hỗ trợ hầu hết công nghệ và cấu trúc mạng, nó cho phép chúng
ta trả lời một cách tự tin hầu hết các câu hỏi phức tạp trong thực tế.
4.3 Các đặc trưng của Opnet Modeler
Là bộ phần mềm mô phỏng hiệu quả và linh hoạt nhất trong lĩnh vực công nghiệp,
OPNET Modeler có các đặc trưng sau:
- Nền tảng mô hình hoá chuyên nghiệp, với khả năng mô phỏng đầy đủ các sự kiện
rời rạc song song và tuần tự, mô phỏng giải tích và lai ghép, có khả năng hoạt động 64 bit.
- Môi trường đồ hoạ trực quan nên có thể mô phỏng rõ ràng các hệ thống mạng
thực tế, các thiết bị, giao thức và ứng dụng.
- Có khả năng mô phỏng tất cả các mô hình kiến trúc mạng.
- Có thể tiếp nhận tự động thông tin kiến trúc mạng từ các công cụ, phần mềm
khác.
- Có thể truy cập vào chương trình nguồn các thư viện mô hình hoá giao thức phổ

biến trong môi trường công nghiệp.
- Là môi trường được thiết kế để mô hình hoá các giao thức sử dụng mô hình máy
trạng thái hữu hạn FSM, C/C++ và các thư viện mở rộng.
- Bao gồm các công cụ phân tích mạng được tích hợp trước tiếp vào môi trường đồ
hoạ.
4.4 Mô phỏng hệ thống bằng OPNET MODELER
4.4.1 Mô hình hệ thống mô phỏng


Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống mạng mô phỏng
Theo kiến trúc mạng trình bày trên hình vẽ 4.1, mỗi PC được kết nối đến một thiết
bị Switch bằng kết nối Ethernet tốc độ 100Mbps. Không gian bộ đệm tại các Switch được
chia sẽ cho mọi luồng dữ liệu vào. Các máy trạm đặt trong mạng A bên trái và các máy chủ
đặt trong mạng B bên phải kết nối chia sẽ E1 tốc độ 2Mbps. Các máy trạm hội nghi từ xa,
chúng ta đặt vào hai mạng A và B nhằm phục vụ trao đổi thông tin video giữa hai mạng A và
B. Kết nối E1 giữa hai bộ định tuyến biên A và B là kết nối cổ chai giữa hai mạng.

9
Độ ưu tiên – xác định thời điểm truyền các gói tin.
Không gian bộ đệm – nơi huỷ gói tin tại cổng ra.
2.3.2 Phân loại các giải thuật phân phối lưu lượng
Các giải thuật hàng đợi được phân chia trong hình 2.8. Trong một môi trường
nhiều hàng đợi, các giải thuật phân phối lưu lượng ra chính bao gồm:

Hình 2.8: Phân loại giải thuật phân phối lưu lượng ra
 Hàng đợi FIFO
 Hàng đợi ưu tiên (PQ)
 Hàng đợi công bằng (FQ)
 Hàng đợi theo lớp (CBQ)
 Vòng tròn trọng số thâm hụt (DWRR)

 Hàng đợi trọng số công bằng (WFQ)
2.4 Đánh giá hạn chế
2.4.1 Hạn chế của các kỹ thuật điều khiển lưu lượng vào
Một trong những thách thức lớn nhất của điều khiển lưu lượng vào trên mạng IP là
việc chia sẽ tài nguyên mạng một cách hiệu quả giữa các luồng dữ liệu nhạy cảm với độ trễ được
chấp nhận vào mạng.
Điều khiển lưu lượng vào theo tham số truyền thống chủ yếu dựa trên các mô hình
thống kê đặc tả luồng. Các tham số thường được sử dụng bởi các luồng để ước lượng tài
nguyên cần thiết. Thiết bị mạng sử dụng các ước lượng để chấp nhận hay từ chối các luồng
phụ thuộc vào sự sẳn sàng của các tài nguyên được yêu cầu. Nhưng vấn đề với phương pháp
này là các ứng dụng thường rất khó mô tả chính xác các mẫu lưu lượng để áp dụng. Trong
mạng IP hầu hết lưu lượng thường rất đa dạng. Vì vậy, để mà nhận được các tài nguyên cam
kết, các luồng cung cấp các ước lượng tham số ưu tiên thể hiện phản ứng trong trường hợp
xấu nhất. Điều này có thể gây ra quá tải đăng ký trước tài nguyên mạng.
Các giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo tham số có thể được phân tích theo
các phương pháp cụ thể. Các giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo đo lường có thể được
phân tích theo kinh nghiệm trên các mạng thực tế hoặc các hệ thống mô phỏng. Mục đích
của chúng ta ở đây không phải là chọn ra phương pháp tốt nhất mà chỉ là đưa ra các đánh
giá, không chỉ dựa trên điều kiện đánh giá được sử dụng trong việc so sánh các giải thuật
điều khiển lưu lượng vào theo đo lường khác nhau mà còn dựa trên các định nghĩa so sánh ý
nghĩa của các giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo đo lường. Phương pháp đơn giản nhất
đảm bảo tuân theo các cam kết đầy đủ là cấp phát đủ tài nguyên để đáp ứng các yêu cầu
phòng trường hợp xấu nhất của mỗi luồng. Tuy nhiên, với các nguồn tăng đột biến, mô hình
này sẽ dẩn đến hiệu quả sử dụng mạng thấp.

10
2.4.2 Hạn chế của các kỹ thuật phân phối lưu lượng ra
FIFO không thể giải quyết cùng lúc cả ba vấn đề cấp phát băng thông, độ ưu tiên
và không gian bộ đệm. Tuy nhiên, cho dù các giải thuật điều khiển lưu lượng được sử dụng
bởi các nguồn lưu lượng được xử lý hiệu quả đến đâu, thì các mạng với các cổng FIFO đều

không đáp ứng được. Khi sử dụng FIFO, các nguồn lưu lượng xử lý kém có thể tiêu tốn toàn
bộ băng thông, các nguồn đột biến có thể gây trễ các lưu lượng quan trọng, nhạy cảm với
thời gian, phần lưu lượng quan trọng có thể bị huỷ vì phần lưu lượng này không được đưa
đầy đủ vào hàng đợi.
PQ hiệu quả trong mạng tốc độ cao, độ trễ thấp, biến thiên độ trễ thấp, nhưng nó
cũng đòi hỏi xây dựng các điều kiện hợp lý nhằm ngăn chặn tình trạng qúa tải đăng ký trước
tài nguyên. Hơn nữa, sử dụng PQ có thể làm thiếu tài nguyên cho các lớp dịch vụ khác.
FQ tạo ra sự công bằng bằng cách cấp phát lượng băng thông bằng nhau cho mỗi
luồng dữ liệu, nhưng sẽ không phù hợp với các luồng dữ liệu có yêu cầu băng thông khác
nhau. FQ cũng nhạy cảm với thứ tự gói tin đến.
WFQ rất hiệu quả trong việc cung cấp các đảm bảo dịch vụ, nhưng vì nó làm việc
với các kết hợp luồng, nếu một luồng dữ liệu trong kết hợp bị đối xử kém sẽ làm ảnh hưởng
đến hoạt động của các luồng khác.
WRR hoặc CBQ ít phức tạp hơn do vậy nó mềm dẻo hơn. Hạn chế của các kỹ
thuật này nó cấp phát chính xác lượng băng thông cho mỗi lớp dịch vụ chỉ khi mọi gói tin
trong hàng đợi có cùng kích thước hoặc khi kích thước gói tin quan trọng được biết trước.
DWRR cũng ít tính toán phức tạp hơn như WRR và cấp phát băng thông chính xác
hơn. Tuy nhiên, nó cũng ảnh hưởng bởi các luồng dữ liệu kết hợp như trong WFQ và WRR.
Mọi phương thức cấp phát là tĩnh và không thể sửa đổi trọng số theo các điều kiện
lưu lượng.

15
3.3.3 Tóm lược các tham số phản hồi
Tốc độ cạn thùng thẻ: Tham số này thể hiện yêu cầu thẻ của một lớp lưu lượng cho
trước. Tham số này thay đổi trong khoảng [0,1]. Càng nhiều thẻ bị rút khỏi thùng thì giá trị
tốc độ cạn thùng càng cao. Tốc độ cạn thùng thẻ cao hơn thể hiện lớp lưu lượng đạt đến
profile được định nghĩa của nó hoặc là đang trong quá trình cấp phát tài nguyên. Trong cả
hai trường hợp, tốc độ cạn thùng là tham số quan trọng của giải thuật điều khiển lưu lượng
vào thích nghi AAC, đảm bảo rằng chúng hoàn toàn sẳn sàng.
Tốc độ cạn dịch vụ: Tham số phản hồi này xác định tốc độ dịch vụ được yêu cầu

của một lớp lưu lượng. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán kích thước hàng đợi trung
bình và ngưỡng trên của hàng đợi. Kích thước hàng đợi trung bình được tính toán như trong
giao thức RED. Việc tính toán trung bình di chuyển trọng số hàm mũ đã tăng cường làm trơn
các thay đổi kích thước hàng đợi, do đó nó sẽ ngăn chặn các giao động hệ thống tức thời.
Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
4.1 Giới thiệu
Như chúng ta đã biết, ba phương pháp chính để đánh giá hoạt động của một hệ
thống là phân tích lý thuyết, đo lường và mô phỏng. Với một hệ thống phức tạp, rất nhiều
tham số như hệ thống chúng ta đang xét, phương pháp phân tích lý thuyết là rất phức tạp và
phải đưa ra rất nhiều giả định để đơn giản hệ thống và kết quả có thể không chính xác. Để sử
dụng phương pháp đo lường, hệ thống chúng ta cần phải được triển khai trên các bộ định
tuyến biên và các thiết bị đầu cuối. Điều này đòi hỏi một phòng Lab với đầy đủ thiết bị, điều
này rất khó thực hiện trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.
4.2 Bộ phần mềm mô phỏng OPNET MODELER
Các ưu điểm sau:
- OPNET Modeler là môi trường công nghiệp cho việc mô hình hoá và mô phỏng
các hệ thống mạng, cho phép thiết kế, nghiên cứu các hệ thống mạng viễn thông, các ứng
dụng, giao thức, thiết bị.
- OPNET Modeler được sử dụng bởi hầu hết các tổ chức công nghệ uy tín hàng
đầu trên thế giới trong việc hỗ trợ công tác nghiên cứu, phát triển.
Giải thuật 3: Tính kích thước hàng đợi trung bình

if l
i
<> 0 then
i
l
ˆ
= (1 - W
q

) x
l
ˆ
+ W
q
x l
i

else
m = (thời gian hàng đợi rỗi)/(thời gian truyền)
i
l
ˆ
= (1 – W
q
)
m
x
i
l
ˆ

endif

14
Chúng ta sẽ sử dụng một tham số W
q
của RED để tính toán
i
l

ˆ
nhằm xác định xem tốc độ
thay đổi của nó trong việc đáp ứng kích thước hàng đợi thực sự (xem giải thuật 3).


Để tính toán các khoảng thời gian mà hàng đợi ở trạng thái rỗng, giải thuật sẽ ước
lượng số gói tin có thể được truyền bởi bộ định tuyến trong khoảng thời gian nghĩ và sử
dụng nó trong việc tính toán
i
l
ˆ
khi một gói tin mới đến.
Tham số W
q
tự nó xác định hằng thời gian của một bộ lọc thông thấp. Nếu W
q
quá
lớn thì thủ tục trung bình sẽ không lọc được nghẽn tức thời. Chúng ta có thể gán giá trị trọng
số lớn hơn cho kích thước hàng đợi tức thì bằng cách gán giá trị lớn cho W
q
. Giá trị được
khuyến nghị của W
q
là 0.002.
Giải thuật 2: Hàng đợi theo lớp thích nghi (ACBQ)

Begin
Ω = 0
foreach gói tin đến
foreach lớp lưu lượng

compute
i
l
ˆ

q
i
=
i
l
ˆ
/T
hi
Ω

= Ω + q
i

end
if Ω > 0 then
foreach (lớp lưu lượng)
if (q
i
> 0)
w
i
= q
i
/Ω
endif

end
endif
end


11

Chương 3 QUẢN LÝ BĂNG THÔNG ĐỘNG

3.1 Giới thiệu chung
3.1.1 Yêu cầu phát triển mô hình quản lý băng thông động
Qua các đánh giá này chúng ta nhận thấy các kỹ thuật quản lý băng thông tĩnh luôn
tồn tại các hạn chế như sau:
- Cấp phát tài nguyên hệ thống một cách cứng nhắc cho các lớp lưu lượng hay các
ứng dụng, mặc dù trong thực tế, yêu cầu băng thông của các ứng dụng có thể thay đổi theo
thời gian. Điều đó dẫn đến việc thừa tài nguyên tại các thời điểm lưu lượng thấp và thiếu hụt
tài nguyên tai các thời điểm lưu lượng cao.
- Việc cấp phát tài nguyên cứng nhắc cũng dẫn đến sự lảng phí tài nguyên mạng
lưới, tài nguyên quan trọng của mạng lưới (tài nguyên mà chúng ta đăng xét ở đây là băng
thông của hệ thống) không được khai thác tối ưu.
- Sự bùng nổ các ứng dụng mới trên nền mạng TCP/IP làm cho việc khai báo mô
tả lưu lượng trở nên rất phức tạp, điều này trở nên đặc biệt khó khăn trong môi trường mạng
internet.
Để khắc phục các hạn chế này, mô hình quản lý băng thông mà đề tài đề xuất gọi
là mô hình quản lý băng thông động hay còn gọi là mô hình quản lý băng thông thích nghi.
3.1.2 Giới thiệu mô hình quản lý băng thông động
Mô hình quản lý băng thông động mà đề tài đề xuất hoạt động theo nguyên lý của hệ
thống phản hồi mạch đóng (xem hình 3.1).

AC

AC
AC
Đơn vị phân
phối tài nguyên
α
1
α
2
α
m
w
1
w
2
w
n
µ

Hình 3.1: Mô hình quản lý băng thông động
3.2 Xây dựng hệ thống quản lý băng thông động
3.2.1 Kiến trúc hệ thống quản lý băng thông động
Mô hình phù hợp cho các bộ định tuyến biên thực hiện chức năng cổng kết nối một
mạng thuộc một vùng quản trị vào mạng chung như internet (xem hình 3.2).

Hình 3.2: Mô hình mạng một vùng quản trị

12

Các điều kiện thiết kế hệ thống bao gồm:
Dung lượng kết nối của kết nối WAN hướng ra là µ (bit/sec) và nhỏ hơn dung

lượng của kết nối LAN, do vậy chúng ta cần phải tính toán việc cấp phát tài nguyên cho hợp
lý.
Hệ thống quản lý băng thông động mà chúng ta xây có kiến trúc như hình 3.3.
Trong đó:
 r
0
, r
1
, r
2
, r
3
lần lược là tốc độ đưa thẻ vào các thùng thẻ 0, 1, 2, 3.
 B
0
, B
1
, B
2
, B
3
: lần lược là dung lượng các thùng thẻ 0, 1, 2, 3.
W
0
, W
1
, W
2
, W
3

: lần lược là tốc độ cạn dịch vụ (sẽ được trình bày trong phần
4.2.2.2) của các hàng đợi 0, 1 , 2, 3.

Hình 3.3: Cấu trúc hệ thống quản lý băng thông động
Theo đó hệ thống của chúng ta gồm hai phần như sau:
 Phần điều khiển lưu lượng vào: hoạt động theo cơ chế thùng đựng thẻ token bucket (đã
trình bày trong mục 3.2.1 của chương 3).
 Phần phân phối lưu lượng ra: hoạt động theo giải thuật quản lý hàng đợi theo lớp.
3.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
3.2.2.1 Điều khiển lưu lượng vào
Gọi b
i
(t) là số thẻ có sẳn trong thùng i tại thời điểm t, và B
i
là kích thước của
thùng. B
i
được xác định profile lưu lượng lớp thứ i.
Tốc độ cạn thùng thẻ (bucket starvation rate) được định nghĩa như sau:
,/1)(
i
B
i
bt
i
s 
m
i



1
(1)
Tốc độ phân phối thẻ chuẩn hoá (normalized token distribution rate) được định
nghĩa:
,
1
)(/)(



m
j
t
j
s
i
st
i
p

m
i


1
(2)
p
i
(t) xác định tốc độ rút cạn thẻ trong thùng, nhằm bảo vệ, hạn chế giao động
chúng ta sử dụng một hàm trung bình trọng số để làm trơn tốc độ cạn thùng thẻ.

,t
i
pt
i
p(t)
i
p )()1(
ˆ
)1(
ˆ







1
0



(3)
Nếu µ là băng thông của cổng hướng ra chia sẽ theo bit/sec tốc độ thẻ vào thùng i tại
thời điểm t có thể nhận được theo công thức:

)(
ˆ
)( t
i

pt
i
r

(4)

13
3.2.2.2 Phân phối lưu lượng ra
Gọi T
li
và T
hi
là các ngưỡng dưới và trên của hàng i, trong đó 1<=i<=n. Bây giờ
chúng ta gọi l
i
(t) là độ dài hàng đợi tức thì tại thời điểm t, và
)(
ˆ
tl
i
là hàm mũ trung bình của
l
i
(t), lúc đó tốc độ cạn dịch vụ tuyệt đối (absolute service starvation rate) của hàng đợi i được
định nghĩa:
hi
Ttlt
i
q
i

/)(
ˆ
)( 

q
i
(t) chỉ thị hàng đợi nên hoạt động nhanh đến mức đáp ứng yêu cầu QoS. Tốc độ
cạn dịch vụ chuẩn hoá (normalized service starvation rate) có thể được định nghĩa như sau:
)(/)()(
1
tqtqtw
n
j
jii




Tốc độ dịch vụ trung bình có thể được tính toán như sau:


)()( t
i
wt
i


Trong đó µ là băng thông kết nối chia sẽ hướng ra theo bit/sec.
3.3 Các giải thuật điều khiển lưu lượng
3.3.1 Giải thuật điều khiển lưu lượng vào thích nghi

Giải thuật 1, tham số α là trọng số của giá trị trước đó. Trong giải thuật này α =
0.9 có nghĩa với 90% giá trị trước đó được xem xét và 10% các yêu cầu tính toán mới được
sử dụng để cho ra giá trị tốc độ thẻ cuối cùng.

3.3.2 Giải thuật xử lý hàng đợi thích nghi
Trong giải thuật 2, một trong các bước quan trọng là tính toán độ dài hàng đợi
trung bình,
i
l
ˆ
. Thay vì sử dụng kích thước hàng đợi tức thì, kích thước độ dài hàng đợi
trung bình được sử dụng để lọc nghẽn tức thời, tránh ảnh hưởng của lưu lượng đột biến.