nghiên cứu chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trong mạng ip

LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật này được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu
chính Viễn thông, nay công trình nghiên cứu đã hoàn thành, tôi xin được bày tỏ
lòng biết ơn chân thành tới Thầy giáo PGS.TS. Lê Hữu Lập đã tận tình hướng dẫn,
gợi mở, tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như động viên tôi trong suốt quá trình
nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn thông, Khoa Quốc tế và đào tạo sau đại học, cùng các đồng nghiệp đã tạo điều
kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành được đề tài nghiên cứu của mình.
Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình, bạn bè đã thông cảm, động viên giúp đỡ
cho tôi có đủ nghị lực để hoàn thành luận văn.
Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế
nên luận văn không tránh khỏi những hạn chế. Kính mong các thầy cô và đồng
nghiệp cho các ý kiến góp ý để tôi có thể hoàn chỉnh được kiến thức của mình, làm
hành trang cho công việc sau này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hoà Bình, tháng 07 năm 2011
Đỗ Thanh Tâm
1
MỤC LỤC
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3
DANH MỤC HÌNH VẼ 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU 7
LỜI MỞ ĐẦU 7
CHƯƠNG I 9
CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ MẠNG IP 9
0.1 Giới thiệu chung 9
1.2.1. Băng thông 9
1.2.2. Độ trễ 10
1.2.3. Biến động trễ 11
1.2.4. Tổn thất gói 12

1.2.5. Độ tin cậy 12
3.1.2. Sơ đồ cấu trúc mạng 39
3.1.3. Giao thức truyền tải MPLS 43
3.1.4. Giao thức định tuyến 43
3.2.1. Dịch vụ VoIP 43
3.2.1.1. Khuyến nghị của ITU-T 43
3.2.1.2. Khuyến nghị của Cisco 45
3.2.2. Dịch vụ IPTV 46
3.2.2.1. Khuyến nghị của ITU-T 46
3.2.2.2. Khuyến nghị của Cisco 47
3.3.2. Đề xuất giải pháp QoS 51
3.3.2.1. Đặt vấn đề 51
3.3.2.2. Khuyến nghị 52
3.3.2.3. Xây dựng các Profile QoS cơ bản và quy ước sử dụng DSCP 53
3.3.2.4. Network control profile 54
3.3.2.5. Reatime Voice profile 54
3.3.2.6. Realtime Video profile 54
3.3.2.7. Data 1 Profile (Crictical) 55
3.3.2.8. Data 2 Profile 55
3.3.2.9. Standard Profile 55
3.3.3. Các phép ánh xạ QoS 55
3.3.3.1. Ánh xạ các QoS profile vào DSCP code 55
3.3.3.2. Ánh xạ các dịch vụ/ứng dụng sang Diffserv 56
3.3.3.3. Ánh xạ từ Diffserv code sang MPLS EXP code 57
3.3.4. Cấu hình QoS trong MAN-E 57
3.4. Kết luận 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
2
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

AF Assured Forwarding Chuyển tiếp đảm bảo
API
Application Programming
Interface
Giao tiếp lập trình ứng dụng
ATM
Asynchronous Transfer
Mode
Công nghệ dùng chế độ truyền
không đồng bộ
BA Behavior Aggregate Nhóm cùng nhu cầu ứng xử
BB Bandwidth Broker Bộ điều phối băng thông
BE Best-Effort Dịch vụ Best-effort trên mạng IP
BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên
BTV Broadband TV TV băng rộng
CAC
Connection Admission
Control
Điều khiển chấp nhận kết nối
CES
Carier Ethernet Switch Chuyển mạch Ethernet mức nhà
cung cấp dịch vụ
CDN
CS1
DHCP
Dynamic Host
Configuration Protocol
Giao thức cấu hình Host động
DNS Domain Name System Hệ thống tên miền
DSCP DiffServ Code Point Mã dịch vụ DiffServ

DSLAM
Digital Subscriber Line
Access Multiplexer
Bộ ghép kênh truy nhập đường
dây thuê bao số tập trung
EAC
Endpoint Admission control Điều khiển chấp nhận tại điểm
cuối
ECN
Explicit Congestion
Notification
Cảnh báo nghẽn tường minh
EF Expedited Forwarding Chuyển tiếp nhanh
E-LSP EXP-inferred-PSC LSP Phương pháp ánh xạ DiffServ vào
MPLS mà PSC (Packet-Switch
Capable) được định nghĩa theo từng
3
LSP.
FIFO First In First Out Vào trước ra trước
FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp tin
HSI Hight Speed Internet Internet tốc độ cao
IETF
Internet Engineering Task
Force
Lực lượng chuyên trách kỹ
thuật kết nối mạng
IntServ Intergrated Service Kiến trúc dịch vụ tích hợp
IP Internet Protocol Giao thức Internet
DSLAM
Digital Subcriber Line

Access Multiplexer
Bộ ghép kênh truy nhập đường
dây thuê bao số tập trung.
IPTV Internet Protocol TV TV giao thức Internet
ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ internet
IS-IS
Intermediate system to
intermediate system
Giao thức định tuyến sử dụng
trong mạng MAN-E
ITU
International
Telecommunications Union
Liên hiệp viễn thông quốc tế
LAN Local Area Network Mạng nội bộ
GoS
GRED
GRIP
GSLB
GW
LCLSP
Load Control Lightweight
Signaling
Giao thức báo hiệu điều khiển tải
đơn giản.
LDP
LSP Label Switching Path Đường dẫn chuyển mạch nhãn
L-LSP
Label – only-inferred-PSC
LSP

Phương pháp ánh xạ DiffServ vào
MPLS mà PSC (Packet-Switch
Capable) được định nghĩa theo từng
PHB.
L2VPN
Layer 2 Virtual Private
Network
Mạng riêng ảo lớp 2
4
MAN-E
Metropolitan Area Network
Ethernet
Mạng Metro Ethernet
MPLS
MultiProtocol Label
Switching
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
MPLS TE MPLS Traffic Engineering Kỹ thuật lưu lượng MPLS
MSAN MultiService Access Node Điểm truy nhập đa dịch vụ
MTU
NAP Network Access Point Điểm truy cập mạng
NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau
NSIS Next Steps In Signaling Nguyên lý báo hiệu thế hệ kế tiếp
OAM
OSPF
Open Shortest Path First Giao thức định tuyến chọn đường
ngắn nhất đầu tiên
PATH
PE-AGG
PE/BRAS

PHB
PBAC Probe-Based Admission
PCN Pre-Congestion Notification Phương pháp cảnh báo tiền nghẽn
PLR
PQ Priority Queuing Xếp hàng ưu tiên
PQWFQ
QNF QoS NSIS Forwarder Bộ chuyển tiếp theo QoS NSIS
QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ
RED
Random Early Detection Giải thuật phát hiện sơm ngẫu
nhiên
RESV
RMD
Resource Management in
DiffServ
Phương pháp quản lý tài nguyên
Rspec
RSVP
Resource Reservation
Protocol
Giao thức giành trước tài nguyên
5
RTP
SLA Service Level Agrement Mức thỏa thuận khách hàng
SNMP
SONET
Synchronous Optical
Networking
Công nghệ nối mạng quang đồng
bộ

SP
SSH
STP
TCP
Transmission Control
Protocol
Giao thức điều khiển truyền tải
loại dịch vụ
ToS Type of Service Loại dịch vụ
Tspec Traffic Specification Đặc tả lưu lượng
VN2PE
VOD Video on Deman Video theo yêu cầu
VoIP Voice Over IP Thoại trên nền giao thức Internet
VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo
XDSL
WRED
weighted Random Early
Detection
Phát hiện sớm ngẫu nhiên với gia
trọng
WFQ weighted Fair Queuing Xếp hàng cân bằng gia trọng
U-PE
User Provider Edge Device Thiết bị biên giữa nhà cung cấp và
người dùng
6
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Băng thông khả dụng 10
Hình 1.2. Trễ tích luỹ từ đầu cuối tới đầu cuối 10
Hình 1.3. Trễ xử lý và hàng đợi 11
Hình 1.4. Tổn thất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra 12

Hình 2.1. Các cấp băng thông thường cung cấp cho mạng 15
Hình 2.2. Hàng đợi riêng cho các lưu lượng yêu cầu nghiêm ngặt về trễ và mất gói 16
Hinh 2.3. Mô hình dịch vụ IntServ 24
Hình 2.4. Kiến trúc IntServ 24
Hình 2.5. Cấu trúc logic của bộ điều chỉnh lưu lượng 29
Hình 2.6. Tổ chức của cơ chế lập lịch PQWFQ 30
Hình 3.1. Cấu trúc mạng 38
Hình 3.2. Mạng MAN-E Hải Dương 39
Hình 3.3. Mô hình ring 1 40
Hình 3.4. Mô hình ring 2 40
Hình 3.5. Mô hình ring 3 41
Hình 3.6. Mô hình ring 4 42
Hình 3.7. Sơ đồ khối chức năng của dịch vụ IPTV 49
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3-1 Bảng tham số về âm thanh của ITU-T 45
Bảng 3-2 Bảng tham số thoại của Cisco 46
Bảng 3-3 Các tham số video của ITU-T 47
Bảng 3-4 Bảng ma trận hai chiều 53
Chi tiết theo như bảng 3-5: 56
Bảng 3-5. Bảng ánh xạ QoS Profile sang DSCP 56
Bảng 3-6 Bảng ánh xạ từ Diffserv sang MPLS EXP 57
LỜI MỞ ĐẦU
7
Hiện nay mạng IP có vai trò thiết yếu trong lĩnh vực truyền thông, khái niệm
mạng toàn IP (All IP) đã được nói đến nhiều trong những năm gần đây. Sự phát
triển nhanh chóng của Internet đã làm cho mạng IP trở thành giao thức không thể
thiếu và ngày càng quan trọng hơn. Trong khi đó, các nhu cầu về dịch vụ không còn
đơn điệu như trước và trên thực tế các ứng dụng đòi hỏi QoS xuất hiện ngày càng
nhiều. Những thành tựu gần đây của công nghệ truyền dẫn giúp cho băng thông khả
dụng trên môi trường truyền dẫn vật lý gia tăng nhanh chóng, khả năng cung ứng

đường truyền tốc độ cao cho đa dịch vụ hoàn toàn khả thi. Bối cảnh này đã đặt ra
cho mạng IP nhiều thách thức mới, đòi hỏi mạng IP phải có các cơ chế QoS hoàn
chỉnh để đáp ứng nhu cầu đa dịch vụ đang gia tăng. Chính vì điều đó tôi đã chọn đề
tài của luận văn là: “Nghiên cứu chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trong
mạng IP”.
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu cấu trúc mạng IP, các tiêu chí đánh giá
chất lượng dịch vụ và các giải pháp cải thiện chất lượng dịch vụ mạng IP nói chung,
từ đó đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cho mạng Man-E,
nhằm đáp ứng được yêu cầu của nhà cung cấp mạng và yêu cầu của người dùng.
Luận văn bao gồm 3 chương:
Chương 1 : Các tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ mạng IP.
Chương 2 : Các giải pháp chính cải thiện QoS trong mạng IP.
Chương 3 : Chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trên mạng MAN-E.
8
CHƯƠNG I
CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ MẠNG
IP
0.1 Giới thiệu chung
Những năm gần đây đã bắt đầu khuynh hướng xây dựng các hệ thống truyền
thoại và video dựa vào IP. Khái niệm mạng hội tụ ngày càng quen thuộc, các công
nghệ IP cho phép chuyển các mạng điện thoại chuyển mạch kênh và ISDN riêng
biệt sang một mạng toàn IP, nơi số liệu, thoại và video đều truyền qua cùng một hạ
tầng. Trong một mạng hội tụ, chất lượng dịch vụ QoS là chủ đề quan trọng nhất.
QoS là một thuật ngữ chỉ ra mức độ đảm bảo chất lượng số liệu được truyền nhận.
Trong thực tế, QoS là cơ chế đảm bảo tín hiệu âm thanh và hình ảnh truyền qua
mạng tốn thời gian ít nhất mà vẫn đảm bảo tính nguyên vẹn của chúng. Nếu không
có QoS thì các cuộc gọi qua mạng IP sẽ không đảm bảo và không đáp ứng được yêu
cầu của người dùng.
1.2. Các tham số đánh giá QoS
Chất lượng dịch vụ được đánh giá qua bốn tham số đo lường chính là băng

thông, độ trễ, độ biến động trễ và độ tổn thất gói.
1.2.1. Băng thông
Băng thông biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được giữa 2
điểm kết nối đầu cuối. Có thể giải thích qua các phép tính toán như sau: một mô
hình trạng thái QoS của mạng thường được biểu diễn dưới dạng một đồ thị G(V,E).
Trong đó, V là các nút còn E là các liên kết. Lưu lượng vào mạng qua nút Vi và ra
khỏi mạng ở nút Vj . Mỗi liên kết có 2 đặc tính: C( I,j) là dung lượng liên kết, f(I,j)
là lưu lượng thực tế. Gọi R(i,j) là băng thông dư. Khi đó, nếu một kết nối có yêu cầu
băng thông là D
k
thì kết nối được coi là khả dụng khi và chỉ khi R(i,j) ≥ D
k
. Một
kết nối mới có thể được chấp nhận nếu tồn tại ít nhật một đường dẫn khả dụng giữa
2 nút Vi và Vj. Băng thông là tốc độ truyền thông tin được tính theo (bit/s).
9
Hình 1.1. Băng thông khả dụng
Băng thông lớn nhất của tuyến liên kết bằng giá trị băng thông lớn nhất của
một đoạn liên kết. Băng thông khả dụng được tính tương đối qua giá trị băng thông
lớn nhất và lượng băng thông của luồng lưu lượng. Tính toán băng thông khả dụng
tương đối phức tạp vì tham số băng thông mang tính lõm.
1.2.2. Độ trễ
Là khoảng thời gian chênh lệch giữa các thiết bị phát và thiết bị thu. Trễ tổng
thể là thời gian trễ từ đầu cuối phát tới đầu cuối thu tín hiệu (còn gọi là trễ tích lũy).
Mỗi thành phần trong tuyến kết nối như thiết bị phát, truyền dẫn, thiết bị chuyển
mạch và định tuyến đều có thể gây ra trễ.
Hình 1.2. Trễ tích luỹ từ đầu cuối tới đầu cuối
Các thành phần gây trễ chủ yếu gồm:
- Trễ hàng đợi: là thời gian một gói phải trải qua trong một hàng đợi khi nó
phải đợi để truyền đi trong một liên kết khác, hay thời gian cần thiết phải

đợi để thực hiện quyết định định tuyến trong bộ định tuyến. Nó có thể
10
bằng 0 hoặc rất lớn và phụ thuộc vào số gói có trong hàng đợi và tốc độ
xử lý.
Hình 1.3. Trễ xử lý và hàng đợi
- Trễ truyền lan: thời gian cần thiết để môi trường vật lý truyền dữ liệu. Ví
dụ trễ truyền lan trong các truyền dẫn quang thường nhỏ hơn trong môi
trường vô tuyến.
- Trễ chuyển tiếp: thời gian sử dụng để chuyển gói tin từ một tuyến này
sang tuyến khác, hay thời gian được yêu cầu để xử lý các gói đã đến
trong một nút. Ví dụ, thời gian để kiểm tra tiêu đề gói và xác định nút tiếp
theo để gửi đi.
- Trễ truyền dẫn: là thời gian được yêu cầu để truyền tất cả các bít trong
gói qua liên kết, trễ truyền dẫn được xác định trên thực tế của băng thông
liên kết.
1.2.3. Biến động trễ
Biến động trễ là sự khác biệt về trễ của các gói tin khác nhau trong cùng một
luồng lưu lượng .
Biến động trễ có tần số cao được gọi là jitter trong khi biến động trễ có tần số
thấp được gọi là wander. Biến động trễ chủ yếu do sự sai khác về thời gian xếp
hàng của các gói liên tiếp trong luồng gây ra và là vấn đề quan trọng nhất của QoS.
Khi jitter nằm trong vùng dung sai quy định trước thì nó không ảnh hưởng tới chất
lượng dịch vụ. Nếu biến động trễ quá lớn sẽ làm cho kết nối trong mạng bị đứt
quãng. Bộ đệm jitter được dùng để giảm tác động “trồi/sụt” của mạng và tạo ra
11
dòng gói đến đều đặn hơn ở máy thu. Trong một số ứng dụng, như ứng dụng thời
gian thực không thể chấp nhận rung pha. Biến động trễ lớn có thể được xử lý bằng
bộ đệm, song nó lại làm tăng trễ nên lại nảy sinh các khó khăn khác.
1.2.4. Tổn thất gói
Tổn thất gói có thể xảy ra theo từng cụm hoặc theo chu kì do mạng bị tắc

nghẽn liên tục, hoặc xảy ra trên chính các trường chuyển mạch gói. Mất gói theo
chu kì ở khoảng 5-10% số gói phát ra có thể làm giảm chất lượng mạng xuống cấp
đáng kể. Từng gói bị mất không thường xuyên cũng khiến kết nối gặp khó khăn.
Xác suất mất gói là giá trị được nhân lên từ xác suất mất gói được kì vọng ở mỗi
một trong số các nút trung gian giữa một cặp nguồn và đích. Xác suất tổn thất gói là
một đại lượng quan trọng của QoS với cả các ứng dụng dữ liệu hay các dịch vụ thời
gian thực. Khi kết nối yêu cầu truyền dữ liệu theo đúng thứ tự, thì tổn thất gói là
nguyên nhân của quá trình truyền lại. Điều này làm chậm quá trình xử lý truyền tin
và giảm QoS nhận được. Với các ứng dụng thời gian thực, sự truyền lại gói thường
không khả thi.
Hình 1.4. Tổn thất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra
1.2.5. Độ tin cậy
Độ tin cậy cũng là một chỉ tiêu xác định chất lượng dịch vụ của một mạng.
Để xác định độ ổn định của hệ thống, người ta thường xác định độ khả dụng của hệ
thống, đồng nghĩa với độ khả dụng của hệ thống và được nhìn nhận từ khía cạnh
mạng là độ tin cậy của hệ thống. Độ khả dụng của mạng càng cao có nghĩa là độ tin
cậy của mạng càng lớn và độ ổn định của hệ thống càng lớn. Độ khả dụng của mạng
thường được tính trên cơ sở thời gian ngừng hoạt động và tổng số thời gian hoạt
12
động. Lý tưởng thì một mạng phải khả dụng trong 100% thời gian. Các nhà cung
cấp dịch vụ đặc biệt tin cậy phải đảm bảo chỉ số khả dụng là 99,9999% hay còn gọi
là “Sáu số chín”, chỉ cho phép mất dịch vụ khoảng 2,6 giây mỗi tháng.
1.3. Kết luận:
Để các hệ thống truyền thoại và video qua IP làm việc hiệu quả thì băng
thông phải càng lớn càng tốt trong khi đỗ trễ, độ tổn thất gói và độ biến động trễ
phải ở mức tối thiểu.
Quy hoạch mạng là giải pháp để đảm bảo các tham số nói trên ở trong một
giới hạn cần thiết để cung cấp một mức QoS có thể chấp nhận. Công việc phải tính
đến bản chất tự nhiên của hạ tầng mạng (dung lượng vật lý và các giao thức được
dùng tại lớp 1, lớp 2 và lớp 3 trong mô hình tham chiếu liên kết hệ thống mở OSI)

và khi nào các tài nguyên mạng được chia sẻ. Các đặc tính của ứng dụng, của đầu
cuối, kỹ thuật mã hoá và nén… là ngoài phạm vi kiểm soát của nhà cung cấp dịch
vụ mạng, nên các cân nhắc cải tiến IP QoS thường chỉ đề cập đến góc độ ảnh hưởng
của mạng.
13
CHƯƠNG II
CÁC GIẢI PHÁP CHÍNH CẢI THIỆN QoS TRONG MẠNG IP
2.1. Phương thức cơ bản cung ứng QoS trong mạng IP:
Phần lớn các mạng hiện hữu đều được thiết kế cho các ứng dụng số liệu và
chưa đáp ứng tốt các yêu cầu của ứng dụng thời gian thực nên QoS đều phải được
thiết kế và triển khai. Có ba khía cạnh quan trọng thường được xem xét trong khi
thiết kế mạng IP cho tín hiệu âm thanh và video, đó là cung ứng có dự phòng cho
mạng, xếp hàng và phân loại.
2.1.1. Cung ứng có dự phòng cho mạng:
Giải pháp phổ biến nhất cho QoS ngày nay là cung cấp băng thông đầy đủ
cho mạng. Dự phòng chỉ đơn giản là xây dựng mạng có lượng băng thông nhiều
hơn nhu cầu thực tế của dịch vụ âm thanh, video và các dịch vụ khác thường xuyên
chạy trên mạng.
Có hai mức băng thông phổ biến của Ethernet được triển khai bên trong
mạng doanh nghiệp là 10Mbps và 100Mbps, gần đây cũng đã có hỗ trợ 1 Gbps theo
chuẩn Giga Ethernet. Trong khi đó, kết nối T-1 có dung lượng 1,5Mbps thường
được dùng để nối mạng diện rộng cho doanh nghiệp hay nối vào Internet. Truyền
thông đa phương tiện có thể tiêu thụ lượng băng thông đáng kể vì vậy cung ứng có
dự phòng là một phần quan trọng trong qui hoạch mạng đa phương tiện của doanh
nghiệp. Giải pháp bước đầu được thực hiện trong bất kỳ môi trường truyền thông đa
phượng tiện nào là nâng băng thông mạng bằng cách chuyển sang kiến trúc chuyển
mạch. Kế đến là phân đoạn mạng LAN thành nhiều mạng con sao cho băng thông
khả dụng được chia sẻ bởi số lượng máy trạm nhỏ hơn.
14
Hình 2.1. Các cấp băng thông thường cung cấp cho mạng.

Một số cuộc gọi IP chất lượng cao có thể được cấu hình để dùng băng thông
768 kbps hay cao hơn. Con số kbps này liên hệ đến lượng dữ liệu thực tế được
truyền bởi mỗi máy trạm. Khi thiết kế mạng QoS, cũng cần phải xem xét thông tin
overhead của mạng. Một cuộc gọi video dùng xấp xỉ 20% overhead. Do đó, một
cuộc gọi được thực hiện với tốc độ 768 kbps có thể tiêu thụ thực sự đến 920 kbps
trên mạng. Với mức băng thông này, chỉ có thể có một cuộc gọi có chất lượng đảm
bảo trên một kết nối T-1 qua mạng WAN.
Điều luật tiên quyết là băng thông tối đa được yêu cầu cho tất cả các ứng
dụng cộng lại với nhau, bao gồm thoại và video không được vượt quá 75% băng
thông khả dụng. Tóm lại, cung cấp cho mạng một lượng bổ sung là cần thiết, tuy
nhiên việc cung ứng có dự phòng cho mạng như thế vẫn chưa đủ đảm bảo một QoS
thích hợp.
2.1.2. Xếp hàng:
Đệm dữ liệu là yếu tố QoS quan trọng, các bộ đệm trong các thiết bị mạng có
xu hướng bị làm đầy nhanh chóng trong các mạng tốc độ cao. Điều này gây nên
hiện tượng mất gói, khiến cho âm thanh hay video bị cắt xén.
Có thể khắc phục các yếu kém trong việc đệm dữ liệu bằng kỹ thuật xếp
hàng cho số liệu âm thanh và video một cách riêng biệt bên trong các thiết bị mạng.
Các hàng đợi riêng biệt cho phép truyền số liệu có yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian
như âm thanh và video theo phương thức ưu tiên (hình 2.2). Để làm việc này, số
15
liệu phải được phân loại theo mức ưu tiên trước khi đưa vào thiết bị truyền. Căn cứ
vào sự phân loại, gói số liệu được xếp vào một hàng đợi truyền phù hợp; số liệu âm
thanh hay video được phân loại sao cho chúng được xếp vào một hàng đợi có trễ và
tổn thất gói thấp. Điều này có nghĩa là bất kỳ số liệu nào khác đến đồng thời với âm
thanh hay video đều có thể bị mất. Tuy nhiên, vì dạng số liệu thông thường không
bị ràng buộc về thời gian thực nên nếu có bị mất sẽ được truyền lại mà không ảnh
hưởng nhiều đến chất lượng của dạng này. Kỹ thuật hàng đợi cung cấp mức ưu tiên
cao cho số liệu âm thanh và video nhạy cảm với trễ và tổn thất gói nhằm đảm bảo
cho các gói số liệu này được truyền lại một cách kịp thời.

Hình 2.2. Hàng đợi riêng cho các lưu lượng yêu cầu nghiêm ngặt về trễ và mất gói.
Các thiết bị Hub không hỗ trợ kỹ thuật xếp hàng do đó dẫn đến gia tăng xung
đột trong truyền gói dữ liệu, từ đó gây ra trễ và mất gói. Vì vậy các thiết bị Switch
hay Router thường được dùng để thay thế các Hub trong thiết kế mạng có hỗ trợ
QoS.
2.1.3. Phân loại:
Kỹ thuật xếp hàng được tiến hành nhờ vào một số cơ chế phân loại hay ưu
tiên gói. Một vài cơ chế khác nhau dược dùng hiện nay bao gồm RSVP, IP
precedence, DiffServ và MPLS.
16
RSVP là một giao thức dựa vào luồng đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mỗi
luồng dữ liệu. Mỗi luồng dữ liệu trên một hướng giữa hai ứng dụng được xem là
một luồng tách biệt. Trong một hội nghị video thông thường sẽ có bốn luồng:
truyền audio, nhận audio, truyền video và nhận video. Trong thực tế, RSVP tỏ ra
nặng nề và cồng kềnh khi thực hiện. Lý do là mỗi thiết bị dọc theo đường truyền
của luồng bao gồm các server, PC, router, switch… phải báo hiệu các nhu cầu QoS
được đặc tả trong RSVP rất khó mở rộng ra với các qui mô mạng rất lớn.
IP precedence và DiffServ dựa trên các cơ cấu tượng tự nhau để cung cấp
QoS, ở đó một vài bít bên trong header của gói dữ liệu sẽ được hiệu chỉnh. Khi đến
một thiết bị mạng có hỗ trợ IP precedence hay DiffServ, các gói với các bit trong
header được cài đặt thích hợp được xếp vào một hàng đợi ưu tiên tương ứng và
được truyền đi. Với IP precedence và DiffServ, mạng phải được thiết kế sao cho cơ
chế được thực hiện một cách nhất quán trong toàn mạng. Các nhà cung cấp dịch vụ
đã và đang triển khai cung cấp các lớp dịch vụ theo các mức QoS khác nhau tuỳ vào
sự phân loại của DiffServ.
Các Router chuẩn đưa ra các quyết định chuyển gói bằng cách thực hiện
nhiệm vụ phức tạp là dò tìm định tuyến căn cứ vào địa chỉ IP đích trong mỗi gói.
Mỗi router sẽ thực hiện công việc một cách độc lập bằng cách phân tích header gói
và chuyển gói từ router này đến router kế cho đến khi gói đến được đích sau cùng.
Việc chọn bước chuyển kế tiếp cho một gói căn cứ vào kết quả phân tích header của

gói và từ kết quả thực thi một thuật toán định tuyến. Giải pháp này đôi khi không đủ
để hỗ trợ các nhu cầu mạng ngày nay, vì các router có thể trở thành các cổ chai của
QoS, ngay cả khi IP precedence và DiffServ được dùng. Trong công nghệ MPLS đã
định nghĩa một giải pháp để cải thiện và đơn giản chức năng chuyển gói và để cung
cấp sự đảm bảo QoS. Mỗi gói được gán một nhãn định tuyến căn cứ vào một vài
yếu tố bao gồm ưu tiên của gói và đích đến. Chuyển mạch dựa vào nhãn là nhanh vì
nó cho phép các router đưa ra các quyết định chuyển gói dựa vào nội dung của một
nhãn đơn giản thay vì phải thực hiện nhiệm vụ dò tìm phức tạp.
17
MPLS mang lại một số ưu điểm khác cho các mạng dựa vào IP bao gồm đảm
bảo QoS gần như RSVP.
2.2. Các cơ chế kiểm soát chất lượng phổ biến trong mạng IP:
Cho đến nay có ba nhóm cơ chế chính nhằm đạt được một chất lượng mạng
tốt hơn mức Best-Effort truyền thống trên mạng IP, đó là:
- Cung cấp dung lượng vượt yêu cầu.
- Đăng ký trước tài nguyên.
- Ưu tiên hoá các dịch vụ và người dùng.
2.2.1. Cung cấp dung lượng vượt yêu cầu:
Cung cấp lượng băng thông vượt mức yêu cầu là cơ chế kém nhất, vì hai cơ
chế kia hoạt động theo nguyên lý chỉ dùng một số tối thiểu dung lượng để đáp ứng
cho các hợp đồng dịch vụ. Tuy nhiên, có vài yếu tố khiến cho giải pháp này trở nên
hấp dẫn.
- Chi phí cho băng thông trên đường trục đang giảm. Bởi vì cung ứng về cáp
đường dài trên mặt đất hiện nay là vượt quá nhu cầu và với công nghệ
DWDM thì giá thành cho một bước sóng bổ sung hầu như là rất thấp.
- Qui hoạch mạng đơn giản. Việc tính toán khi nâng cấp chỉ theo nguyên tắc
đơn giản là khi dung lượng yêu cầu nhiều hơn m% dung lượng khả dụng
trong một khoảng thời gian nào đó thì tăng dung lượng của tuyến lên n%.
- Việc cung ứng dự phòng được hoạch định dễ dàng. Dung lượng truy xuất từ
các nhánh là hoàn toàn biết được và tổng tốc độ số liệu không thể vượt quá

tổng các liên kết truy xuất. Khi có yêu cầu các liên kết truy xuất nhanh hơn,
có thể đưa ra quyết định nâng cấp dung lượng đường trục.
Đây là giải pháp được dùng hầu hết trong các mạng đường trục IP. Giả sử
dung lượng luôn luôn thoả mãn cho giải pháp này, các gói IP có thể được nạp vào
trong các frame truyền (ví dụ SONET) khi chúng đến, độ trễ và biến động trễ do độ
trễ hàng đợi khác nhau trong quá trình truy xuất đường trục là nhỏ. Yếu tố ảnh
18
hưởng lớn nhất đến trễ là thời gian lan truyền dọc theo cáp. Tuy nhiên, trong các
mạng truy nhập ngoại vi thường không được lắp đặt nhiều cáp sợi quang, do đó
nhìn chung dung lượng bị hạn chế. Trong bối cảnh như vậy, để hỗ trợ QoS cao hơn
mức Best-Offort thì điều có thể là phục vụ có phân biệt, phục vụ phần lưu lượng
nào đó tốt hơn các phần còn lại bằng cách đăng ký tài nguyên một cách đặc biệt hay
bằng cách xử lý ưu tiên cho chúng.
2.2.2. Đăng ký trước tài nguyên:
IntServ là kiến trúc đầu tiên được đặc tả bởi IETF để hỗ trợ QoS theo cơ chế
đăng ký trước tài nguyên. IntServ dùng giao thức RSVP để đăng ký tài nguyên cho
từng luồng lưu lượng. IntServ cũng gán một luồng số liệu đặc biệt vào khái niệm
được gọi là lớp lưu lượng, lớp lưu lượng định nghĩa một mức dịch vụ nào đó. Ví dụ,
có thể yêu cầu mức Best-Offort hay có thể chấp nhận một giới hạn về độ trễ nào đó.
Khi một lớp dịch vụ đã được gán cho một luồng số liệu, một thông điệp PATH
được chuyển đi đến đích để xác định mạng có tài nguyên khả dụng hay không
(dung lượng truyền, không gian bộ đệm,…) để hỗ trợ lớp dịch vụ này. Nếu tất cả
các thiết bị dọc theo đường dẫn đều thấy rằng có khả năng cung cấp tài nguyên theo
yêu cầu, máy đích sẽ phát ra thông điệp RESV gửi đến nguồn để thông báo rằng có
thể bắt đầu truyền số liệu. Thủ tục này (RSVP) được lặp lại để xác nhận tài nguyên
cần thiết vẫn còn khả dụng, còn gọi là quá trình làm tươi (refresh). Nếu tài nguyên
yêu cầu không còn khả dụng nữa, máy thu sẽ gửi một thông điệp báo lỗi RSVP đến
máy phát.
Theo lý thuyết thì việc kiểm tra liên tục này có ý nghĩa là tài nguyên mạng
được dùng một cách hiệu quả. Khi tài nguyên khả dụng chỉ còn ở một mức tối thiểu,

các dịch vụ với nhu cầu QoS nghiêm ngặt sẽ không nhận được thông điệp RESV và
sẽ biết rằng QoS không được đảm bảo. Tuy vậy, dẫu cho IntServ có một số đặc tính
hấp dẫn, nó vẫn có các vấn đề nội tại. Ví dụ, IntServ không có phương cách để đảm
bảo các tài nguyên cần thiết sẽ khả dụng khi cần đến. Hơn nữa, việc đăng ký tài
nguyên mạng trên căn bản từng luồng số liệu, ví dụ nhiều luồng hướng đến một
19
server truyền thông trên mạng cục bộ, tất cả đều yêu cầu cùng một tài nguyên
nhưng mỗi luồng lại được phục vụ một cách riêng rẽ. Điều này dẫn đến thông điệp
RESV phải được gửi đi một cách riêng biệt cho mỗi luồng. Nói cách khác, IntServ
không linh động và lãng phí tài nguyên mạng.
2.2.3. Ưu tiên hoá các dịch vụ và người dùng:
Thực chất QoS rất phong phú về ưu tiên. Tại các điểm tập hợp trên mạng
như router, bộ ghép kênh và chuyển mạch, các luồng số liệu với nhu cầu QoS khác
nhau được kết hợp lại để truyền qua hạ tầng mạng chung. Việc hỗ trợ QoS đúng
mực cần có: một phương tiện để đánh dấu các luồng theo ưu tiên và cơ chế mạng để
nhận dạng và tác động lên luồng theo ưu tiên đó.
Với mô hình DiffServ của IETF, một thẻ nhỏ được gắn vào mỗi gói tuỳ vào
lớp dịch vụ của nó. Các luồng số liệu có cùng nhu cầu tài nguyên có thể được gom
lại trên cơ sở thẻ nhận dạng này khi chúng đến router biên (edge router). Các router
trong mạng lõi (core router) sẽ chuyển luồng số liệu đến đích dựa trên các thẻ định
dạng mà không cần kiểm tra chi tiết các header của từng gói. Vì hầu hết quyết định
chuyển được đưa ra đều theo nguyên tắc này nên mạng lõi làm việc rất nhanh.
Trong quá khứ, qui hoạch QoS hỗ trợ IntServ và DiffServ. Hiện nay khuynh
hướng nghiêng về dùng DiffServ kèm theo các bổ sung về khả năng đăng ký tài
nguyên của RSVP tại biên. Tại các biên của mạng, tài nguyên có xu thế hạn hẹp
hơn nên không có nhiều luồng số liệu được duy trì.
Một giải pháp tương tự để tăng tốc độ truyền số liệu qua mạng là MPLS,
cũng là một thủ tục được đề xuất bởi IETF đã được giới thiệu ở phần trên. Trong
hoạt động IP thông thường, header của gói được kiểm tra tại các điểm trung chuyển
(multiplexer, router hay switch). Điều này tốn nhiều thời gian và làm tăng tổng thời

gian trễ. Giải pháp hiệu quả hơn là gắn nhãn cho các gói sao cho việc phân tích các
gói tại các điểm trung gian là không còn cần thiết nữa. MPLS thực hiện điều này
bằng cách gắn nhãn thích hợp cho các gói IP tại lối vào của các router biên trong
mạng. Lưu lượng đồng dạng nào đó có thể được nhóm lại trên một đường chuyển
20
mạch nhãn đặc biệt, các kỹ thuật của công nghệ lưu lượng được áp dụng vào đường
dẫn này để có một dung lượng nhằm đảm bảo một mức phẩm chất mong muốn cho
dịch vụ.
2.3. Mô hình tích hợp dịch vụ IntServ:
Mô hình IntServ được IETF giới thiệu vào giữa thập niên 90 với mục đích hỗ
trợ chất lượng dịch vụ từ đầu cuối tới đầu cuối. Các ứng dụng sẽ nhận được băng
thông đúng yêu cầu và truyền đi trong mạng với độ trễ cho phép.
Trên thực tế giao thức RSVP là giao thức duy nhất dùng để báo hiệu cho mô
hình IntServ. Vì thế đôi khi người ta lầm lẫn dùng RSVP để nói về IntServ. Thật ra,
IntServ là kiến trúc hỗ trợ chất lượng dịch vụ mạng, còn RSVP là giao thức báo
hiệu cho IntServ.
Ngoài giao thức báo hiệu, mô hình tích hợp dịch vụ còn định nghĩa thêm một
số lớp dịch vụ.
Một ứng dụng sẽ xác định đặc tính của luồng lưu lượng mà nó đưa vào mạng
đồng thời xác định một số yêu cầu về dịch vụ mạng. Đặc tính của lưu lượng Tspec
(Traffic Specification) yêu cầu mức chất lượng dịch vụ Rspec (Reguired
Specification). Vì thế các bộ định tuyến phải có khả năng thực hiện các công việc
sau:
• Kiểm soát (Policing): Kiểm tra TSpec của luồng lưu lượng; nếu không phù
hợp thì loại bỏ luồng.
• Điều khiển chấp nhận: Kiểm tra xem tài nguyên mạng có đáp ứng được yêu
cầu của ứng dụng hay không. Nếu không thể đáp ứng, mạng sẽ từ chối.
• Phân lớp (Classification): Phân loại gói dữ liệu căn cứ vào mức yêu cầu chất
lượng dịch vụ của gói.
• Hàng đợi và lập lịch (Queuing and scheduling): đưa gói dữ liệu vào hàng đợi

tương ứng và quyết định huỷ gói dữ liệu nào khi xảy ra xung đột.
2.3.1. Các lớp dịch vụ:
21
Có hai lớp dịch vụ: đảm bảo dịch vụ (Guaranteed Service) và kiểm soát tải
(Control load service).
2.3.1.1. Đảm bảo dịch vụ:
Cho phép giới hạn thời gian chuyển tiếp các gói dữ liệu đến đích trong một
khoảng thời gian nhất định, đảm bảo dữ liệu không bị loại bỏ khi hàng đợi đầy.
Thông tin Tspec phải bao gồm các thông số như: tốc độ đỉnh, kích thước lớn
nhất của gói dữ liệu. Trong khi đó thông số quan trọng nhất của Rspec là tốc độ
dịch vụ. Thông số này cho phép xác định băng thông mà lưu lượng cần khi đi trong
mạng. Thông số này cùng với các thông số trong Rspec cho phép xác định thời gian
trễ lớn nhất có thể chấp nhận được của dữ liệu.
Nhược điểm của lớp dịch vụ này là hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng thấp
vì nó đòi hỏi mỗi luồng lưu lượng có hàng đợi riêng.
2.3.1.2. Kiểm soát tải:
Các ứng dụng của dịch vụ này có thể chấp nhận khả năng mất dữ liệu và thay
đổi độ trễ ở một mức độ nhất định. Luồng dữ liệu khi đi vào mạng sẽ được kiểm tra
đối chiếu với những đặc tả lưu lượng Tspec đã được đăng ký. Nếu không phù hợp
với các đặc tả đã được đăng ký trước thì dữ liệu sẽ được chuyển tiếp theo phương
thức “nỗ lực tối đa”.
2.3.2. Giao thức dành trước tài nguyên RSVP:
RSVP là giao thức báo hiệu cung cấp thủ tục để thiết lập và điều khiển quá
trình chiếm giữ tài nguyên, hay nói cách khác RSVP cho phép các chương trình ứng
dụng thông báo cho mạng những yêu cầu về mức chất lượng dịch vụ; và mạng sẽ
hồi đáp chấp nhận hoặc không chấp nhận yêu cầu đó.
Các bản tin RSVP được các bộ định tuyến hay các bộ chuyển mạch trên liên
kết giữa hai đầu cuối gửi và nhận trao đổi với nhau để đáp ứng yêu cầu về mức chất
lượng dịch vụ của ứng dụng.
22

RSVP có 2 bản tin cơ bản: bản tin Path và bản tin Resv. Bản tin Path mang
thông tin về đặc tả luồng lưu lượng Tspec và các thông tin như: địa chỉ IP của nút
gửi, địa chỉ IP nút nhận, chỉ số cổng UDP. Và khi nhận được bản tin Path, nút mnạg
đích sẽ gửi lại bản tin Resv. Bản tin Resv sẽ gửi kèm theo phần mô tả yêu cầu
Rspec chỉ định kiểu dịch vụ tích hợp là kiểm soát tải hay đảm bảo dịch vụ; ngoài ra
còn có dấu hiệu nhận dạng luồng (flow descriptor) mà mỗi bộ định tuyến trung gian
sẽ tiến hành quá trình điều khiển chấp nhận (admission control). Nếu yêu cầu không
được chấp nhận, do không đủ tài nguyên mạng thì bộ định tuyến sẽ báo lỗi về phía
đầu thu. Nếu yêu cầu được chấp nhận thì bộ định tuyến sẽ gửi bản tin Resv đến bộ
định tuyến đã gửi bản tin Path cho nó.
Ngoài ra, RSVP là giao thức mềm, có nghĩa là các bản tin Path và Resv sẽ
được gửi lại sau khoảng thời gian nhất định để duy trì lâu dài sự chiếm giữ tài
nguyên. Nếu sau khoảng thời gian này không có bản tin nào gửi đi, sự dự trữ tài
nguyên sẽ bị xoá bỏ. Điều này sẽ có một số ưu điểm và nhược điểm được trình bày
sau:
Mặt khác, lưu lượng RSVP có thể đi qua bộ định tuyến không hỗ trợ RSVP.
Tại những bộ định tuyến này dịch vụ được phục vụ theo mô hình nỗ lực tối đa.
Nói tóm lại, RSVP đóng vai trò quan trọng trong quá trình triển khai việc
chuyển tải nhiều dịch vụ như: âm thanh, hình ảnh, và dữ liệu trong cùng một hạ
tầng mạng. Các ứng dụng có thể lựa chọn nhiều mức chất lượng dịch vụ khác nhau
cho luồng lưu lượng của mình.
2.3.3. Kiến trúc IntServ:
Cấu trúc của các bộ định tuyến và các bộ chuyển mạch có hỗ trợ RSVP trong
mạng:
23
Hinh 2.3. Mô hình dịch vụ IntServ
Như vậy ta thấy cấu trúc gồm các khối:
• Khối điều khiển lưu lượng bao gồm: bộ phân loại (Classifier), bộ lập lịch gói
(Scheduler).
• Khối điều khiển thu nhận và thiết lập dự trữ bao gồm: thực thể điều khiển thu

nhận và thực thể thiết lập dự trữ.
Đầu tiên các ứng dụng đưa ra yêu cầu lớp dịch vụ: đảm bảo dịch vụ hoặc
kiểm soát tải đồng thời đặt đường dẫn và chiếm giữ tài nguyên mạng cho việc
truyền dữ liệu. Khối điều khiển thu nhận sẽ xem xét có thể đáp ứng được các yêu
cầu mà dịch vụ đưa ra hay không. Bộ phân loại tiến hành phân loại và đưa các gói
dữ liệu nhận được vào hàng đợi riêng. Bộ lập lịch sẽ lập cách xử lý để đáp ứng yêu
cầu về chất lượng dịch vụ.
Hình 2.4. Kiến trúc IntServ.
Trong hình vẽ, ở bước 1, các ứng dụng đưa ra yêu cầu mức chất lượng dịch
vụ dành cho luồng lưu lượng xác định qua giao diện dịch vụ ứng dụng. Bộ điều
khiển thu nhận và thiết lập dự trữ đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng bằng cách tạo
ra các bản tin của giao thức RSVP yêu cầu chiếm giữ tài nguyên. Bản tin này sẽ đi
qua các bộ định tuyến nằm trên đường dẫn từ đầu gửi đến đầu thu. Tại mỗi bộ định
24
tuyến, khối điều khiển thu nhận sẽ tiến hành quá trình điều khiển chấp nhận kết nối,
quyết định xem có thể đáp ứng được yêu cầu chất lượng dịch vụ mà ứng dụng đưa
ra hay không. Nếu được, bộ định tuyến sẽ dựa vào thông tin trong bản tin RSVP để
cấu hình cho bộ điều khiển lưu lượng.
Chúng ta đã xem xét kiến trúc của mô hình tích hợp dịch vụ cũng như một
giao thức rất quan trọng RSVP. Mô hình này cho phép triển khai các ứng dụng thời
gian thực và lưu lượng truyền thông trên cùng một hạ tầng mạng.
2.4. Mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ:
2.4.1. Mô hình:
DiffServ là một tập hợp công nghệ cho phép nhà cung cấp dịch vụ mạng đưa
ra các dịch vụ mạng khác nhau cho khách hàng cũng như cho các dòng lưu lượng
mạng của họ. DiffServ được dự trù là một môi trường để phân biệt dịch vụ khả thi
và cho phép một giải pháp module hoá các mục tiêu QoS cho các nhu cầu khác
nhau của ứng dụng.
Cơ sở của các mạng DiffServ là các router bên trong mạng lõi có khả năng
chuyển các gói của các lưu lượng khác nhau theo cách ứng xử trên từng bước mạng

khác nhau. DiffServ đưa ra khái niệm DSCP, dùng 6 bit của trường ToS trong
header của gói IP và do đó có thể chỉ định đến 64 giá trị mã khác nhau. PHB của
gói IP được chỉ ra bởi mã DSCP. Kiến trúc DiffServ không dùng bất kỳ sự báo hiệu
nào giữa các router, tất cả các quyết định chuyển gói đều dựa theo mã DSCP.
Kiến trúc DiffServ chứa hai thành phần chính. Một là nguyên tắc ứng xử
(PHB) trên đường dẫn chuyển gói và thứ hai là chính sách cấu hình các thông số
trên đường dẫn chuyển gói cho từng PHB.
Kiến trúc DiffServ có thể được xem như là bộ tinh chế của mô hình quan hệ
ưu tiên trong đề xuất đánh dấu ưu tiên IPv4. Kiến trúc này hoàn toàn có thể làm
việc với các ứng dụng hiện hữu mà không yêu cầu bất cứ thay đổi nào đối với API
của chúng.
25