Đánh giá và so sánh hiệu quả đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện của mô hình IntServ và DiffServ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ








NGUYỄN ĐỨC XUÂN BÌNH





ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QOS CHO
TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN CỦA MÔ HÌNH
INTSERV VÀ DIFFSERV

LUẬN VĂN THẠC SĨ



















Hà Nội – 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ









NGUYỄN ĐỨC XUÂN BÌNH

ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QOS CHO
TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN CỦA MÔ HÌNH
INTSERV VÀ DIFFSERV



Ngành : Công nghệ thông tin
Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số : 60 48 15




LUẬN VĂN THẠC SĨ



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT










Hà Nội – 2008

1


2
MỤC LỤC

MỤC LỤC 2
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ 7
DANH MỤC CÁC BẢNG 9
MỞ ĐẦU 10
1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài 10
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10
3. Cấu trúc các chương 11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG
TIỆN 12
1.1 Tổng quan 12
1.2 Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện 12
1.2.1 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh đã được lưu trữ trước
(Streaming stored audio and video) 13

1.2.2 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh thời gian thực từ một
nguồn đến nhiều đích 14
1.2.3 Truyền âm thanh và hình ảnh có tương tác thời gian thực (Real-time
interactive audio and video) 14
1.3 Các tham số chất lượng dịch vụ 15
1.3.1 Băng thông 15
1.3.2 Độ trễ 16
1.3.3 Độ thăng giáng trễ 16
1.3.4 Sự mất mát gói tin 17
1.4 Các yêu cầu chất lượng dịch vụ 18
1.5 Các mô hình đảm bảo QoS 20
CHƢƠNG 2. KIẾN TRÚC QoS 22
2.1 Thành phần chung của kiến trúc QoS 22
2.1.1 Cung cấp QoS 22
2.1.2 Điều khiển QoS 23
2.1.3 Quản lý QoS 24
2.2 Các chức năng của QoS 24
2.2.1 Đánh dấu gói tin 25
2.2.2 Phân loại gói tin 26


3
2.2.3 Chính sách lưu lượng 26
2.2.4 Quản lý hàng đợi tích cực 26
2.2.4.1 Kỹ thuật loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm RED 27
2.2.4.2 Kỹ thuật loại bỏ sớm theo trọng số WRED 28
2.2.5 Lập lịch gói tin 28
2.2.5.1 Hàng đợi FIFO 29
2.2.5.2 Hàng đợi có ưu tiên PQ 30
2.2.5.3 Hàng đợi công bằng FQ 30

2.2.5.4 Hàng đợi quay vòng có trọng số WRR 31
2.2.5.5 Hàng đợi công bằng có trọng số WFQ và hàng đợi theo lớp
công bằng có trọng số CB-WFQ 33
2.2.6 Định dạng lưu lượng (Traffic Shaping) 34
2.2.6.1 Định dạng lưu lượng “thuần” (Pure traffic shaping) 34
2.2.6.2 Định dạng lưu lượng kiểu giỏ có sử dụng thẻ bài (Token bucket)
35
CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH DỊCH VỤ TÍCH HỢP INTSERV 37
3.1 Tổng quan IntServ 37
3.2 Kiến trúc IntServ 38
3.2.1 Điều khiển chấp nhận 39
3.2.2 Phân loại 39
3.2.3 Lập lịch 39
3.2.4 Các dịch vụ của IntServ 39
3.3 Giao thức dành trước tài nguyên - RSVP (Resource Reservation
Protocol) 40
3.3.1 Giới thiệu chung 40
3.3.2 Hoạt động của RSVP 41
3.3.3 Các kiểu dành trước tài nguyên RSVP 42
3.3.4 Định dạng thông báo RSVP 43
3.3.5 Thông báo PATH 49
3.3.6 Thông báo RESV 50
CHƢƠNG 4. MÔ HÌNH DỊCH VỤ KHÁC BIỆT DIFFSERV 51
4.1 Tổng quan DiffServ 51
4.2 Kiến trúc DiffServ 53
4.2.1 Miền DS (Different Service) 53
4.2.2 Vùng DS 55
4.3 Định nghĩa trường trong DiffServ 56
4.3.1 Đánh dấu gói tin trong bộ định tuyến thông thường 56
4.3.2 Cấu trúc trường DS 58

4.3.3 Các mã phân biệt dịch vụ DSCP 58
4.4 Phân loại và điều hoà lưu lượng 59
4.5 Hành vi theo chặng PHB (Per-Hop Behaviors) 61
4.5.1 Chuyển tiếp nhanh EF PHB. 62


4
4.5.2 Chuyển tiếp đảm bảo AF PHB 63
CHƢƠNG 5. THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG 64
5.1 Hệ mô phỏng NS2 64
5.1.1 Giới thiệu 64
5.1.2 Kiến trúc của NS2 64
5.1.3 Các nguồn sinh lưu lượng trong NS-2 67
5.2 Thực nghiệm mô phỏng mô hình IntServ 68
5.2.1 Thực nghiệm 1: Mô phỏng mạng IP không hỗ trợ RSVP_TE 69
5.2.1.1 Thiết lập cấu hình mô phỏng 1 69
5.2.1.2 Thực hiện và phân tích kết quả mô phỏng 1 70
5.2.2 Thực nghiệm 2: Mô phỏng mạng IP có hỗ trợ việc đặt trước tài
nguyên 71
5.2.2.1 Thiết lập cấu hình mô phỏng 2 71
5.2.2.2 Thực hiện và phân tích kết quả mô phỏng 2 71
5.2.3 Thực nghiệm 3: Mô phỏng hoạt động tự khôi phục kết nối đường
truyền bị “đứt” 74
5.2.3.1 Thiết lập cấu hình mô phỏng 3 74
5.2.3.2 Thực hiện và phân tích kết quả mô phỏng 3 74
5.3 Thực nghiệm mô phỏng mô hình DiffServ 77
5.3.1 Mục tiêu thực nghiệm 77
5.3.2 Thiết lập cấu hình mô phỏng 78
5.3.3 Thực hiện mô phỏng 81
5.3.4 Kết quả mô phỏng và nhận xét 83

KẾT LUẬN 88
CÁC HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO 90



5
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Nghĩa tiếng Anh
AF
Assured Forwarding
AL
Application Layer
AQM
Active Queue Management
ATM
Asynchronous Transfer Mode
BA
Behavior Aggressive
B-ISDN
Broadband ISDN
CBR
Constant Bit Rate
CBS
Committed Burst Size
CIR
Committed Information Rate
CoS
Class of Service

DiffServ
Differential Service
DLL
Data Link Layer
DS
Different Service
DSCP
Differential Service Code Point
ECN
Explicit Congestion Notification
EF
Expedited Forwarding
ETSI
European Telecommunications Standards Institute
FIFO
First In First Out
FLOWSPEC
Flow Specification
FQ
Fair Queuing
GoS
Grade of Service
IESG
Internet Engineering Steering Group
IETF
Internet Engineering Task Force
IntServ
Integrated Service
IPLR
IP Loss Rate

IPTD
IP Packet Transfer Delay
IPER
IP Error Rate
ISO
International Standard Organization
ITU
International Telecommunication Union
MF
Multi Fields
MoS
Mean of Score
MPLS
Multi Protocol Label Switching
NL
Network Layer


6
NNI
Network Node Interface
PBS
Packet Burst Size
PHB
Per Hop Behavior
PIR
Peak Information Rate
PQ
Priority Queuing
QoS

Quality of Service
RED
Random Early Discarding
RFC
Request For Comments
RSVP
Resource reservation protocol
SE
Shared Explicit
SLA
Service Level Agreement
TCA
Traffic Conditioning Agreement
TL
Transmission Layer
ToS
Type of Service
UBR
Undefined Bit rate
UNI
User Network Interface
VBR
Variable Bit Rate
WF
Wildcard Filter
WFQ
Weighted Fair Queuing
WRED
Weighted Random Early Discarding
WRR

Weighted Round Robin



7
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Băng thông liên kết 15
Hình 2.1: Các thành phần trong cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS. 22
Hình 2.2: Các yêu cầu chức năng cơ bản của một bộ định tuyến 25
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED 28
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý lập lịch gói tin 29
Hình 2.5: Hàng đợi ưu tiên PQ. 30
Hình 2.6: Hàng đợi công bằng FQ 31
Hình 2.7: Hàng đợi quay vòng có trọng số WRR. 32
Hình 2.8: Định dạng lưu lượng thuần 34
Hình 2.9: Định dạng lưu lượng bùng nổ kiểu giỏ có sử dụng thẻ bài. 35
Hình 3.1: Mô hình hoạt động dịch vụ tích hợp IntServ 38
Hình 3.2: Nguyên lý hoạt động của RSVP 42
Hình 3.3: Các kiểu dành trước tài nguyên 43
Hình 3.4: Khuôn dạng bản tin RSVP và tiêu đề chung RSVP 44
Hình 3.5: Khuôn dạng bản tin đối tượng RSVP 46
Hình 3.6: Class-Num và C-Type 46
Hình 3.7: Đối tượng kiểu 47
Hình 3.8: Định dạng thông báo RSVP PATH 49
Hình 3.9: Định dạng thông báo RSVP RESV 50
Hình 4.1: Mô hình các bước dịch vụ phân biệt DiffServ. 52
Hình 4.2: Miền IP 53
Hình 4.3: Miền DS 54
Hình 4.4: Một miền DS và các mạng con. 55
Hình 4.5: Vùng DS. 55

Hình 4.6: Tiêu đề gói tin IPv4 57
Hình 4.7: Trường kiểu dịch vụ ToS trong tiêu đề IPv4 57
Hình 4.8: Tiêu đề gói tin IPv6 58
Hình 4.9: Cấu trúc của trường phân biệt dịch vụ DS. 58
Hình 4.10: Dịch vụ phân biệt với PHB và TCA 60


8
Hình 4.11: Các khối điều hoà lưu lượng DiffServ (TCB) 61
Hình 4.12: Xử lý chuyển tiếp nhanh EF PHB. 62
Hình 5.1: Sư
̣
tương đồng giư
̃
a C++ và OTcl 65
Hình 5.2: Tổng quan về NS từ góc nhìn của người sử dụng 66
Hình 5.3: Mô hình vật lý mạng thực hiện mô phỏng. 69
Hình 5.4: Cấu hình mạng mô phỏng thực nghiệm 1 70
Hình 5.5: Lưu lượng các luồng trong thực nghiệm 1 70
Hình 5.6: Hình ảnh hoạt động của mạng trong thực nghiệm 2 trên cửa sổ nam 72
Hình 5.7: Lưu lượng các luồng trong thực nghiệm 2 73
Hình 5.8: Cấu hình mạng mô phỏng thực nghiệm 3 74
Hình 5.9: Hình ảnh hoạt động của mạng trong thực nghiệm 3 trên cửa sổ nam 75
Hình 5.10: Lưu lượng luồng trong thực nghiệm 3 76
Hình 5.11: Biến thiên trễ của luồng trong thực nghiệm 3 76
Hình 5.12: Kiến trúc của mô hình mô phỏng 78
Hình 5.13: Cấu hình mạng mô phỏng DiffServ trong NS2 80
Hình 5.14: Tập các tham số của WRED trường hợp một 83
Hình 5.15: Biến thiên độ trễ các gói tin nguồn voice 84
Hình 5.16: Biến thiên độ trễ các gói tin nguồn Video 85

Hình 5.17: Biến thiên thông lượng đạt được của nguồn Video 85



9
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T 19
Bảng 1.2: Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI 20
Bảng 3.1: Các kiểu thông báo RSVP 46
Bảng 3.2: Các bit sử dụng cho điều khiển chia sẻ 49
Bảng 3.3: Các bit sử dụng cho điều khiển lựa chọn máy gửi 49
Bảng 4.1: Các mức hiệu năng DTR 58
Bảng 4.2: Các mã dịch vụ phân biệt DSCP 60
Bảng 4.3: Chi tiết phân lớp đảm bảo AF PHB 64
Bảng 5.1: TCS cho giao diện vào e1 80
Bảng 5.2: Ttập các tham số WRED 83
Bảng 5.3: Kết quả truyền lưu lượng các nguồn FTP trong các trường hợp khác
nhau của WRED 86



10
MỞ ĐẦU
1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài
Mạng Internet truyền thống được xây dựng theo nguyên tắc “cố gắng tối đa”
(best effort), nghĩa là không có sự đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Truyền
thông đa phương tiện (multimedia) đòi hỏi mạng phải đảm bảo chất lượng dịch
vụ. Để khắc phục nhược điểm của mạng Internet truyền thống, người ta đã đề
xuất một số mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ, trong đó có các mô hình
IntServ và DiffServ. Mô hình IntServ đòi hỏi phải có sự đặt trước tài nguyên ở tất

các các router mà dịch vụ truyền thông đa phương tiện truyền các lưu lượng qua
nên khó thực hiện nhưng có hiệu quả cao. Mô hình DiffServ không yêu cầu đặt
trước tài nguyên nên tương đối đơn giản, nhưng hiệu quả bị hạn chế. Người thiết
kế mạng cần đánh giá đúng các ưu nhược điểm của 2 mô hình trên và áp dụng tuỳ
tình hình thực tế. Đó là lý do thúc đẩy tôi chọn đề tài nghiên cứu này.
Trong phạm vi của đề tài luận văn tốt nghiệp – “Đánh giá và so sánh hiệu
quả đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện của mô hình IntServ và
DiffServ ”, tôi sẽ nghiên cứu các mô hình IntServ và DiffServ, thực hiện mô
phỏng bằng bộ mô phỏng mạng NS-2, từ đó đưa ra các đánh giá, so sánh hiệu quả
đảm bảo QoS của hai mô hình này.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết về đảm bảo QoS, kiến trúc QoS và các
mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ IntServ và DiffServ. Đề tài còn giới thiệu
việc sử dụng công cụ mô phỏng NS2 để mô phỏng các kiến trúc mạng dựa trên
hai mô hình IntServ và DiffServ. Các kết quả của các thực nghiệm mô phỏng sẽ
được dùng để đánh giá, so sánh hiệu năng của hai mô hình này.


11
3. Cấu trúc các chƣơng
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục như
sau:
Chương 1:
Tổng quan QoS cho truyền thông đa phương tiện
Chương 2:
Kiến trúc QoS
Chương 3:
Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ
Chương 4:
Mô hình dịch vụ khác biệt DiffServ

Chương 5:
Thực nghiệm mô phỏng



12
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN QoS CHO TRUYỀN THÔNG
ĐA PHƢƠNG TIỆN
1.1 Tổng quan
Sự phát triển như vũ bão của các công nghệ mạng trong những năm gần đây
đã làm bùng nổ các ứng dụng mới trên Internet như truyền dòng số liệu video,
điện thoại IP, hội thảo từ xa, trò chơi tương tác, thế giới ảo…Những ứng dụng
truyền thông đa phương tiện được xem như là các ứng dụng trên môi trường
truyền thông liên tục và có các yêu cầu về chất lượng dịch vụ khác với yêu cầu
của các ứng dụng truyền thống như: Email, Web, Remote login… Chúng cũng
khác với các ứng dụng kiểu tải về trước rồi mới chạy (download-and-then-play).
Mỗi loại ứng dụng truyền thông đa phương tiện có các đòi hỏi QoS khác
nhau. Mục đích chính của việc đưa ra QoS là đưa ra sự đảm bảo có tính định
lượng về băng thông, độ trễ, độ thăng giáng trễ (jitter) hoặc tỉ lệ mất gói. Để thực
hiện đảm bảo QoS, mạng truyền thông cần có các thành phần cơ bản để đảm bảo
QoS như sau: thành phần cung cấp QoS, thành phần điều khiển QoS và thành
phần quản lý QoS. Rất nhiều cơ chế cho QoS được đưa ra để đáp ứng cho yêu
cầu của ứng dụng người dùng và cũng để đạt được hiệu quả sử dụng tài nguyên
mạng ở mức cao nhất với chi phí tối thiểu.
Để phân loại các bảo đảm QoS trong các mạng chuyển mạch gói người ta đã
đưa ra hai tiêu chuẩn phân loại. Tiêu chuẩn thứ nhất là bảo đảm QoS cho mỗi
luồng lưu lượng (per-flow QoS) kiểu đầu cuối - đầu cuối (end-to-end) riêng biệt.
Theo tiêu chuẩn này có thể bảo đảm các giá trị giới hạn tuyệt đối về QoS. Tiêu
chuẩn thứ hai là bảo đảm QoS cho một nhóm các luồng (per-class QoS). Theo
tiêu chuẩn này chỉ có thể bảo đảm QoS một cách tương đối. Từ hai tiêu chuẩn

này các nhà nghiên cứu đã đưa ra được nhiều mô hình đảm bảo QoS khác nhau.

1.2 Các ứng dụng truyền thông đa phƣơng tiện


13
Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện chủ yếu truyền dữ liệu audio và
video, chất lượng ứng dụng thay đổi hết sức nhạy với độ trễ, độ thăng giáng trễ và
phụ thuộc vào một số tham số mạng khác như băng thông, tỉ suất lỗi v.v. Nói
chung, sự mất mát gói tin trong một giới hạn nhất định chỉ gây ra sự thực thi
không đều của ứng dụng phía người nhận đối với dữ liệu audio hoặc video mà
người dùng không nhận ra được và thường có thể che dấu được một phần hoặc
hoàn toàn. Điều này hoàn toàn ngược lại với các ứng dụng truyền thống, dữ liệu
là tĩnh (text, image ) có thể chấp nhận độ trễ và độ thăng giáng trễ lớn nhưng
không chấp nhận sự mất mát dữ liệu.
Các ứng dụng multimedia được sử dụng trên Internet ngày nay rất đa dạng.
Ở đây, chỉ xem xét ba loại ứng dụng multimedia phổ biến để thấy được những đặc
điểm nổi bật của truyền thông đa phương tiện.
1.2.1 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh đã đƣợc lƣu trữ trƣớc
(Streaming stored audio and video)
Trong ứng dụng loại này, client có thể yêu cầu nhận các file audio hoặc
video được lưu trữ trên server bất kì lúc nào. Các ứng dụng truyền thông đa
phương tiện loại này có 3 đặc trưng quan trọng:
1. Thông tin đa phương tiện được lưu trữ trước (Stored media): Nội dung file
audio hoặc video được lưu trữ tại server. Vì thế, khi một file audio hoặc video
đang chạy thì người dùng có thể thực hiện các hành động tương tác như là tạm
dừng, tua đi, tua lại, nhảy tới phía trước hoặc phía sau của file. Thời gian đáp ứng
các hành động này trong khoảng từ 1 cho đến 10 giây.
2. Gửi đi thành dòng (Streaming): Sau một vài giây, client bắt đầu chạy file
audio hoặc video, trong khi nó vẫn tiếp tục nhận phần còn lại của file này từ

server. Kỹ thuật này cho phép người dùng tránh phải chờ lâu để download toàn
bộ file trước khi chạy file.
3. Chơi một cách liên tục (Continuous playout): Khi bắt đầu chơi một file
audio hoặc video, ứng dụng sẽ tiếp tục dựa trên thời gian ban đầu của bản ghi (âm


14
thanh hoặc hình ảnh). Vì vậy nó đòi hỏi độ trễ end-to-end chặt chẽ hơn so với các
ứng dụng truyền thống.
Độ trễ từ khi một người dùng tạo một yêu cầu (ví dụ nghe một file audio)
cho đến khi hành động được thực hiện tại máy người dùng (bắt đầu nghe được)
cần nằm trong khoảng từ 1 tới 10 giây, thì người sử dụng có thể chấp nhận được.
Các yêu cầu đối với độ trễ gói tin và độ thăng giáng trễ trong các ứng dụng
multimedia nêu trên không nghiêm ngặt bằng những yêu cầu trong ứng dụng thời
gian thực có tương tác, như là Internet telephony và realtime video conferencing.
1.2.2 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh thời gian thực từ một
nguồn đến nhiều đích
Ứng dụng này tương tự việc phát sóng radio và TV truyền thống, ngoại trừ
việc phát đi được thực hiện trên Internet, nó cho phép người dùng nhận một
chương trình radio hoặc TV được phát từ một nơi nào đó trên thế giới. Một đặc
điểm của loại ứng dụng này là có nhiều người dùng đồng thời nhận cùng một file
audio hoặc video. Khác với ứng dụng streaming stored audio and video, loại ứng
dụng này không có đặc tính stored media và không thực hiện các hành động
tương tác được, một người dùng không thể dừng hoặc tua lại một chương trình
đang phát cho hàng trăm người đang nghe.
Giống như các ứng dụng đa phương tiện khác, ứng dụng này cũng có đặc
tính streaming, cũng đòi hỏi các yêu cầu về độ trễ và độ thăng giáng trễ, nhưng
không nghiêm ngặt như các yêu cầu trong Internet telephony và realtime video
conferencing. Độ trễ tối đa có thể là 10s từ khi người dùng kích hoạt một liên kết
cho đến khi file audio hoặc video bắt đầu chạy. Sự phân phối dữ liệu real-time

audio and video tới nhiều người nhận được thực hiện hiệu quả với phương thức
đánh địa chỉ multicast.


1.2.3 Truyền âm thanh và hình ảnh có tƣơng tác thời gian thực (Real-time
interactive audio and video)


15
Ứng dụng này cho phép người dùng sử dụng audio hoặc video giao tiếp với
người khác trong thời gian thực. Thí dụ về một ứng dụng như vậy là điện thoại
Internet (Internet phone). Một thí dụ khác là hội thảo truyền hình (Video
conferencing), cho phép một người có thể giao tiếp bằng âm thanh và hình ảnh
với một hay nhiều người khác theo phương thức thời gian thực. Đây là tương tác
có cảm nhận, các thành viên tham gia có thể trao đổi với nhau thông qua tiếng nói
và hình ảnh trong thời gian thực. Trong ứng dụng hội thảo truyền hình, người
dùng có thể nói hoặc di chuyển bất kỳ lúc nào họ muốn. Độ trễ từ khi người dùng
nói hoặc di chuyển cho đến khi hành động được thực hiện tại các máy nhận phải
nhỏ hơn một vài trăm mi-li-giây.
1.3 Các tham số chất lƣợng dịch vụ
Các yêu cầu chất lượng dịch vụ phải được biểu thị theo các tham số QoS đo
được. Các tham số thông thường được biết đến là: băng thông, độ trễ, độ thăng
giáng trễ và sự mất mát gói tin.
1.3.1 Băng thông
Băng thông biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được giữa hai
điểm kết nối. Sự thiếu hụt băng thông trong mạng Internet thường xuyên xảy ra
do nhiều nguyên nhân, bản thân nguồn tài nguyên mạng không đủ đáp ứng hoặc
các nguồn lưu lượng cùng tranh chấp một số tài nguyên.

Hình 1.1: Băng thông liên kết

Băng thông lớn nhất của một tuyến liên kết bằng giá trị băng thông nhỏ nhất
của một đoạn liên kết. Băng thông khả dụng được tính tương đối qua giá trị băng


16
thông lớn nhất và lượng băng thông của luồng lưu lượng đã sử dụng. Một tuyến
mới được chấp nhận nếu tồn tại một đường khả dụng giữa hai đầu tuyến.
1.3.2 Độ trễ
Độ trễ nói ở đây là độ trễ đầu cuối- đầu cuối (end-to-end), là thời gian cần
thiết để gửi một gói tin từ nguồn đến đích, nó là tổng độ trễ của việc xử lý gói tin,
thời gian gói tin phải xếp hàng chờ được gửi đi tại các router và thời gian đưa gói
tin lên đường truyền.
 Trễ truyền (transmission delay): là thời gian để đưa gói tin lên đường
truyền, được tính bằng tỉ số của độ dài gói tin trên dung lượng của đường
truyền.
 Trễ hàng đợi (queueing delay): là thời gian gói tin phải trải qua trong một
hàng đợi để được truyền đi tiếp qua 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 xấp xỉ bằng 0 hoặc rất lớn tuỳ thuộc vào số gói tin có trong hàng đợi
và tốc độ xử lí.
 Trễ truyền lan (propagation delay): là thời gian cần thiết để tín hiệu mang
nội dung thông tin (sóng điện từ) truyền qua môi trường vật lí. Nó phụ
thuộc vào khoảng cách và tốc độ truyền tín hiệu.
Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện đòi hỏi độ trễ các gói tin nằm
trong khoảng cho phép, được quy định bởi một ngưỡng cụ thể. Các nghiên cứu
thực nghiệm cho biết, đối với Internet phone, nếu độ trễ nhỏ hơn 150 ms thì
người nghe không nhận biết được độ trễ, nếu độ trễ nằm trong khoảng 150 400
ms thì có thể chấp nhận được, nếu độ trễ vượt quá 400 ms thì cuộc đàm thoại bị
hỏng hoàn toàn, vì người nhận sẽ không để ý đến bất kỳ gói tin nào bị trễ hơn
ngưỡng nêu trên. Do đó, các gói tin bị trễ hơn ngưỡng cho phép, thực tế được coi

là bị mất.

1.3.3 Độ thăng giáng trễ


17
Một trong những thành phần chính của độ trễ end-to-end là độ trễ của gói tin
tại hàng đợi, nói chung có giá trị ngẫu nhiên, chính vì vậy thời gian từ khi một gói
tin được sinh ra tại nguồn cho đến khi nó được nhận tại đích có thể dao động đối
với các gói tin khác nhau, sự dao động này được gọi là jitter hay là độ thăng
giáng trễ. Jitter là yếu tố ảnh hưởng lớn đến QoS của truyền thông đa phương
tiện, tỉ lệ nghịch với QoS của truyền thông đa phương tiện. Trong các ứng dụng
truyền thông đa phương tiện như Internet phone hoặc audio-on-demand, jitter có
thể được hạn chế bằng cách thực hiện kết hợp ba kỹ thuật: đánh số thứ tự các gói
tin (sequence number), gán nhãn thời gian (timestamp) và làm trễ việc chơi
(delaying playout). Người gửi đặt một sequence number vào mỗi gói tin và tăng
giá trị này lên một khi một gói tin mới được tạo ra, nhờ vậy người nhận có thể
dùng sequence number để khôi phục thứ tự đúng của các gói tin nhận được.
Timestamp tương tự như sequence number, người gửi dán tem thời gian cho
mỗi gói tin, tem mang thông tin về thời gian mà gói tin đó được sinh ra. Để lấy
được thứ tự đúng của các gói tin từ sequence number và timestamp, người nhận
cần nhận tất cả các gói tin theo thứ tự. Playout delay được sử dụng cho mục đích
này. Playout delay phải đủ dài để nhận được hầu hết các gói tin trước thời điểm
chúng được sử dụng. Playout delay được chia làm hai loại: cố định hoặc có thể
thay đổi trong thời gian hội thảo.
1.3.4 Sự mất mát gói tin
Đối với các ứng dụng truyền thông đa phương tiện, việc mất gói tin không
nghiêm trọng như đối với các ứng dụng truyền thống. Thực vậy, tỉ lệ mất gói tin
từ 1% đến 20% có thể được bỏ qua, phụ thuộc vào tiếng nói được mã hóa và
được truyền như thế nào và sự mất mát được che giấu ở phía nhận như thế nào.

Ví dụ, phương pháp sửa lỗi ở phía trước - FEC (Forward Error Correction) có thể
giúp che giấu sự mất mát gói tin. Với FEC các thông tin dư thừa được truyền
cùng với thông tin nguồn cho nên một vài gói tin nguồn bị hỏng có thể được khôi
phục lại từ thông tin dư thừa. Tuy nhiên, nếu đường truyền giữa người gửi và
người nhận bị tắc nghẽn rất nặng, sự mất mát gói tin vượt quá 10-20 %, thì không


18
còn cách gì có thể thực hiện để đạt được chất lượng âm thanh có thể chấp nhận
được. Tỉ lệ mất mát gói tin cao làm tăng độ trễ và jitter.
Như chúng ta đã biết TCP khắc phục sự mất mát gói tin bằng cách gửi lại
các gói tin đó. Tuy nhiên kỹ thuật này không thể áp dụng cho các ứng dụng tương
tác thời gian thực như Internet phone, bởi vì chúng làm tăng độ trễ end-to-end.
Hơn nữa, bởi vì TCP có cơ chế điều khiển tắc nghẽn nên sau khi phát hiện có sự
mất gói tin, thực thể gửi TCP sẽ giảm tốc độ gửi xuống mức tối thiểu, có thể dẫn
đến đứt đoạn tiếng nói. Vì những lý do này, hầu hết các ứng dụng truyền thông đa
phương tiện không chạy trên TCP mà lại sử dụng UDP cùng các giải pháp RTP
(Real Time Transport Protocol), RTCP (Real Time Control Protocol) để đáp ứng
các đặc tính của truyền thông đa phương tiện như là tính trình tự, đồng bộ hoá
trong dòng dữ liệu, đồng bộ hoá giữa các dòng dữ liệu.
1.4 Các yêu cầu chất lƣợng dịch vụ
Tất cả các ứng dụng đều yêu cầu một mức chất lượng dịch vụ nào đó. Để
nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ hệ thống thường dựa vào các lớp dịch vụ
khác nhau. Theo quan điểm của ITU-T, khuyến nghị Y-1541 [16], các lớp dịch
vụ được chia theo vùng như bảng dưới đây:
Bảng 1.1: Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T
Lớp QoS
Các đặc tính QoS
0
Thời gian thực, nhạy cảm với jitter, tương tác cao

1
Thời gian thực, nhạy cảm với jitter, tương tác
2
Dữ liệu chuyển giao, tương tác cao
3
Dữ liệu chuyển giao, tương tác
4
Tổn hao thấp (chuyển giao ngắn, dữ liệu bulk, video)
5
Các ứng dụng nguyên thuỷ của mạng IP ngầm định


19

Như vậy theo quản điểm của ITU các lớp dịch vụ thời gian thực và tương tác
cao được đặt lên hàng đầu đối với mạng IP. Phần lớn các ứng dụng được thực
hiện tốt trong các mạng chuyển mạch hướng kết nối (chuyển mạch kênh và
ATM). Trong khi đó, mạng IP nguyên thuỷ không hỗ trợ việc đảm bảo các đặc
tính trên hay nói các khác không hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực.
Dự án TIPHON của ETSI [16] đề xuất một định nghĩa thay thế về phân lớp
QoS được chỉ ra trên bảng dưới đây:
Bảng 1.2: Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI.
Lớp QoS
Thành phần
Các đặc tính QoS
Hội thoại thời gian
thực (thoại video, hội
nghị)
Thoại, video,
audio, đa phương

tiện
Nhạy cảm với trễ và thăng
giáng trễ, giới hạn lỗi và tổn
thất gói tin, tốc độ bit thay đổi
và cố định
Luồng thời gian thực
(quảng bá)
Audio, video, đa
phương tiện
Chấp nhận trễ nhỏ, nhạy cảm
với thăng giáng trễ, chấp nhận
một giới hạn nhất định của tỉ lệ
lỗi, tốc độ bit thay đổi.
Tương tác cận thời
gian thực (Web
browsing)
Dữ liệu
Nhạy cảm với trễ và lỗi, chấp
nhận thăng giáng trễ, tốc độ bit
thay đổi
Phi thời gian thực
(Emai)
Dữ liệu
Không nhạy cảm với trễ và
thăng giáng trễ, nhạy cảm với
lỗi, cố gắng tối đa

Hướng tiếp cận của ETSI tập trung vào các dịch vụ thường sử dụng trên
mạng IP để phân loại các dịch vụ yêu cầu thời gian thực và không yêu cầu thời
gian thực. Đối với các ứng dụng yêu cầu thời gian thực ETSI-TR102 phân biệt

20
dịch vụ qua các độ nhạy cảm với các tham số QoS như: trễ, thăng giáng trễ, tổn
thất gói và đặc tính tốc độ bit.
1.5 Các mô hình đảm bảo QoS
Các mạng IP vào khoảng giữa đầu thập kỷ 1990 là các mạng nỗ lực tối đa
giống như mạng Internet hiện nay. Các hệ thống mạng cung cấp dịch đã phát triển
từ các mô hình nỗ lực tối đa thành các mô hình dịch vụ phân biệt phức tạp.
Nỗ lực tiêu chuẩn hoá chất lượng dịch vụ IP lần đầu tiên khi IETF phát hành
RFC 1633 vào tháng 6 năm 1994. RFC 1633 đưa ra mô hình Các dịch vụ được
tích hợp - IntServ (Integrated Service), mô hình này tập trung vào các bảo đảm
QoS tuyệt đối với giao thức dành trước tài nguyên RSVP (Resource Reservation
Protocol). RSVP được sử dụng để báo hiệu các yêu cầu về trễ và băng thông cho
các phiên riêng biệt tới từng nút dọc theo đường dẫn gói tin đi qua. Tại thời điểm
khởi tạo kết nối, RSVP yêu cầu các nút dự trữ tài nguyên. Tuy nhiên, do yêu cầu
của các ứng dụng mạng ngày càng mở rộng, việc đảm bảo QoS tuyệt đối dựa trên
luồng khó có thể đáp ứng được, nên người ta đã phát triển và cho ra đời mô hình
bảo đảm QoS dựa trên lớp, mang tính tương đối, có tên gọi là Các dịch vụ có
phân biệt - DiffServ (Differentiated Service).
Từ sau năm 1997, nhóm làm việc DiffServ lại tiếp tục thảo luận về một vài
đề xuất đối với bảo đảm QoS tương đối trên mỗi lớp. Hầu hết các đề xuất xác
định các dịch vụ khác nhau về chất lượng, trong đó sẽ có lớp nhận được độ trễ
thấp hơn và tỉ lệ mất gói thấp hơn những lớp khác nhưng không xác định số lượng
khác nhau, nghĩa là không xác định sự khác nhau cụ thể. Mô hình DiffServ định
nghĩa các kỹ thuật đánh dấu gói như thứ tự ưu tiên IP (IP Precedence), các mã
phân biệt dịch vụ - DSCP (Differentiated Services Code Points) phù hợp với hành
vi theo chặng PHB tại mỗi nút cho các kiểu lưu lượng.
Vào cuối thập niên 90, các kỹ thuật QoS được chú trọng nhiều hơn và trở
thành vấn đề quan trọng khi cần phải tương thích với các công nghệ mạng tiên

tiến như: công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức - MPLS (Multiprotocol Label
Switching) và các công nghệ mạng riêng ảo VPN - (Virtual Private Network).


21
Các chiến lược phát triển mô hình chất lượng dịch vụ IP trong khoảng thời gian
gần đây tập trung vào tính đơn giản và tự động, với mục tiêu cung cấp các kỹ
thuật đảm bảo QoS thông minh trên mạng IP. Các công nghệ QoS ngày càng đưa
ra các mục tiêu quản lý chất lượng dịch vụ rộng và chi tiết hơn, có thể giải quyết
được các vấn đề về chất lượng dịch vụ IP ở những cấu hình phức tạp. Rất nhiều
nhà quản trị mạng không muốn có các mức quản lý phức tạp mà họ muốn xu
hướng quản lý QoS càng đơn giản càng tốt, thậm chí phát triển QoS theo hướng
công cụ bảo mật hệ thống [5].



22
CHƢƠNG 2. KIẾN TRÚC QoS
2.1 Thành phần chung của kiến trúc QoS
Một cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS chung nhất gồm ba thành phần
chính: cung cấp QoS, điều khiển QoS và quản lí QoS như được chỉ ra trên hình
2.1.
Cung cấp QoS đưa ra các kỹ thuật thiết lập luồng và các giai đoạn thoả
thuận tài nguyên nhằm đảo bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối. Điều khiển QoS
đưa ra các hành vi điều khiển như lập lịch, định dạng lưu lượng, lập chính sách và
đồng bộ luồng. Quản lí QoS nhằm giám sát, điều chỉnh lại tài nguyên và duy trì
các điều kiện đảm bảo QoS.

Hình 2.1: Các thành phần trong cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.
2.1.1 Cung cấp QoS

Cơ cấu cung cấp QoS bao gồm ánh xạ QoS, kiểm tra quản lý và dành trước
tài nguyên.
 Mô-đun ánh xạ QoS: thực hiện chức năng biên dịch giữa các thể hiện QoS
sang các mức hệ thống khác nhau, người sử dụng có thể định rõ chất lượng
dịch vụ thông qua các tham số trừu tượng như là tốc độ trung bình, băng
thông khả dụng, trễ, mất mát gói tin và các yêu cầu về trễ. Một thực thể sẽ
Các thành phần QoS
Cung cấp QoS
Điều khiển QoS
Quản lý QoS

Ánh xạ QoS
Kiểm tra quản lý
Dành trước tài nguyên

Lập lịch luồng
Định dạng lưu lượng
Chính sách luồng
Đồng bộ luồng

Giám sát QoS
Độ khả dụng QoS
Duy trì QoS
Phân mức QoS



23
biên dịch chúng thành các lớp dịch vụ để sử dụng cho mục đích dành trước
tài nguyên.

 Mô-đun kiểm tra quản lý: chịu trách nhiệm kiểm tra độ khả dụng của nguồn
tài nguyên so với yêu cầu và ra quyết định có cho phép các yêu cầu mới
hay không. Một khi yêu cầu đảm bảo QoS từ đầu cuối tới đầu cuối cần tài
nguyên tổng thể, các nguồn tài nguyên được dành sẵn dựa trên quyết định
kiểm tra quản lý và được cam kết khi kiểm tra quản lý thành công.
 Mô-đun dành trước tài nguyên: giữ các nguồn tài nguyên thích hợp với các
đặc tính QoS của người dùng. Mô-đun quản lí QoS cần các dịch vụ này để
xác nhận các kiểm tra điều khiển quản lý thành công hay không. Mô-đun
ánh xạ QoS cần quan tâm tới khả năng của các giao thức báo hiệu trước
khi ghép các đặc tính QoS vào mức chất lượng mạng.
2.1.2 Điều khiển QoS
Thành phần điều khiển QoS hoạt động theo thước đo thời gian tại các tốc độ
truyền thông tin, cung cấp điều khiển lưu lượng thời gian thực dựa trên các yêu
cầu mức QoS từ giai đoạn cung cấp QoS. Thành phần này gồm các mô-đun sau:
 Mô-đun lập lịch luồng: quản lý các luồng chuyển tiếp theo cùng một cách
thức ở cả hệ thống cuối và mạng. Nó quyết định gói tin nào sẽ được gửi kế
tiếp khi tuyến kết nối đi đã sẵn sàng.
 Mô-đun định dạng lưu lượng: điều chỉnh các luồng lưu lượng dựa trên các
mức yêu cầu QoS, bao gồm các thuật toán để phân tích và định dạng các
luồng tổ hợp tại biên mạng và lập lịch trong mạng để cung cấp hiệu năng
cao nhất.
 Mô-đun chính sách luồng: thường được sử dụng trong điều kiện lưu lượng
người dùng chuyển qua vùng biên quản lý và cần loại bỏ giám sát. Chính
sách được sử dụng để theo dõi khi nào nhà cung cấp duy trì các điều kiện
QoS hoặc không.
 Mô-đun đồng bộ luồng: được yêu cầu để điều khiển các sự kiện tương tác
đa phương tiện theo trình tự và thời gian chính xác.