ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH BĂNG THÔNG TRONG MẠNG IP SỬ DỤNG KỸ THUẬT TOPP (TRAINS OF PACKET PAIR)

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
MỤC LỤC................................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.........................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH......................................................................................vi
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BĂNG THÔNG VÀ ĐO BĂNG THÔNG
TRONG MẠNG IP..................................................................................................5
GIỚI THIỆU CHƯƠNG.........................................................................................5
1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠNG IP ..........................................5
1.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BĂNG THÔNG..........................................7
1.2.1 Định nghĩa băng thông .............................................................................................7
1.2.2 Thông lượng (Throughput).....................................................................................12

1.3 VAI TRÒ CỦA BĂNG THÔNG ĐỐI VỚI CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ....12
1.4 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BĂNG THÔNG..........................13
1.4.1 Phương pháp đo thụ động ......................................................................................13
1.4.2 Phương pháp đo chủ động.......................................................................................13

1.5 ĐO BĂNG THÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHỦ ĐỘNG.......................14
1.5.1 Nguyên tắc đo..........................................................................................................14
1.5.2 Phân loại các công cụ đánh giá băng thông chủ động.............................................16

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG...................................................................................16
Chương 2. SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH BĂNG
THÔNG TRONG MẠNG IP................................................................................18
GIỚI THIỆU CHƯƠNG.......................................................................................18
2.1 CÁC MÔ HÌNH ƯỚC TÍNH BĂNG THÔNG .............................................18
2.1.1 Phương pháp mô hình khoảng cách gói dò PGM...................................................19
2.1.2 Phương pháp mô hình tốc độ gói dò PRM..............................................................20

2.2 ĐO DUNG LƯỢNG ĐẦU CUỐI – ĐẦU CUỐI BẰNG KỸ THUẬT CẶP
GÓI / CHUỖI GÓI (PACKET PAIR/ PACKET TRAIN).................................22
2.2.1 Cơ sở lý thuyết........................................................................................................23
2.2.1.1 Kỹ thuật cặp gói...............................................................................................23
2.2.1.2. Kỹ thuật chuỗi gói...........................................................................................25


iii

2.2.2. Một số vấn đề tác động đến mô hình cặp gói.........................................................26
2.2.3 Khảo sát một số công cụ đo dựa trên kỹ thuật cặp gói/chuỗi gói...........................28
2.2.3.1. Bprobe.............................................................................................................29
2.2.3.2 Nettimer............................................................................................................30

2.3 ĐO BĂNG THÔNG KHẢ DỤNG BẰNG KỸ THUẬT SLoPS...................44
2.3.1 Cơ sở lý thuyết........................................................................................................44
2.3.2 Khảo sát công cụ đo Pathload.................................................................................48
2.3.2.1 Chọn T và L:....................................................................................................48

2.3.2.2 Chọn chiều dài của chuỗi K............................................................................49
2.3.2.3 Một nhóm chuỗi..............................................................................................49
2.3.2.4 Phát hiện xu hướng tăng...................................................................................50
2.3.2.5 So sánh giữa R và A sau một nhóm chuỗi dò..................................................51
2.3.2.6 Điều chỉnh tốc độ R..........................................................................................52

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG...................................................................................56
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH BĂNG THÔNG TRONG MẠNG IP
SỬ DỤNG KỸ THUẬT TOPP.............................................................................58
GIỚI THIỆU CHƯƠNG.......................................................................................58
3.1 GIỚI THIỆU KỸ THUẬT TOPP (TRAINS OF PACKET PAIR).............58
3.1.1 Giả thiết hàng đợi công bằng trong cặp gói...........................................................59

3.2 CÁC GIẢ THIẾT VÀ ĐỊNH NGHĨA ...........................................................59
3.2.1 Các định nghĩa băng thông......................................................................................59
3.2.2 Mô hình mạng.........................................................................................................60

3.4 HIỆU LỰC CỦA NGUYÊN TẮC ĐÁNH RỚT GÓI ..................................63
3.6. PHƯƠNG PHÁP ĐO BĂNG THÔNG SỬ DỤNG TOPP...........................65
3.6.1 Giai đoạn dò............................................................................................................65
3.6.2 Giai đoạn phân tích ................................................................................................67
3.6.3 Phương pháp phân tích............................................................................................67
3.6.4 Hồi quy tuyến tính từng đoạn..................................................................................69
3.6.5 Xác định tuyến có xung đột ...................................................................................70
3.6.6.2 Tối ưu hoá .......................................................................................................75

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG...................................................................................75
Chương 4: MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH BĂNG THÔNG
TRONG MẠNG IP SỬ DỤNG PHẦN MỀM OPNET.......................................76
GIỚI THIỆU CHƯƠNG.......................................................................................76

iv

4.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPNET MODELER................76
4.2 MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ĐO BĂNG THÔNG KHẢ DỤNG.............77
ADR
CM
CT
FCFS
FIFO
FQ

Asympotic Dispersion Rate
Capacity Mode
Competing Traffic
First Come First Service
First In First Out
Fair Queuing

ICMP

Internet Control Message Protocol

IP
MTU
MRTG

Internet Protocol
Maximum Transmission Unit

Multi Router Traffic Grapher

OWD

One-Way Delay

PCT
PDT
PDU
PGM
PNCM
PPPT
PRM
QoS

Pairwise Comparison Test
Pairwise Difference Test
Protocol Data Unit
Probe Gap Model
Post Narrow Capacity Mode
Packet Pair/Packet Train
Probe Rate Model
Quality of Service

Tốc độ khoảng dịch tiệm cận
Kiểu dung lượng
Lưu lượng cạnh tranh
Đến trước phục vụ trước
Vào trước ra trước
Hàng đợi công bằng

Giao thức tin nhắn điều khiển Internet
Giao thức Internet
Đơn vị truyền lớn nhất
Phát hoạ lưu lượng đa định tuyến
Trễ một chiều
Kiểm tra tương quan của cặp
Kiểm tra sai khác của cặp
Khối giao thức dữ liệu
Mô hình khoảng cách dò
Kiểu dung lượng hẹp
Cặp gói/ chuỗi gói
Mô hình tốc độ dò
Chất lượng dịch vụ

4.2.1 Trường hợp không có tuyến cổ chai và chỉ có một lưu lượng cạnh tranh trên đường
mạng.................................................................................................................................77
4.2.1.1 Mô hình mạng..................................................................................................77
4.2.1.2 Kết quả mô phỏng............................................................................................78
4.2.2 Trường hợp không có tuyến cổ chai và có nhiều lưu lượng cạnh tranh trên đường
mạng.................................................................................................................................81
4.2.2.1 Mô hình mạng..................................................................................................81
4.2.2.2 Kết quả mô phỏng............................................................................................82
4.2.3. Trường hợp có một tuyến nghẽn............................................................................85
4.2.3.1 Mô hình mạng..................................................................................................85
4.2.3.2 Kết quả mô phỏng............................................................................................85

4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG...................................................................................88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................89

v

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................91
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
ADR
CM
CT
FCFS
FIFO
FQ

Asympotic Dispersion Rate
Capacity Mode
Competing Traffic
First Come First Service
First In First Out
Fair Queuing

ICMP

Internet Control Message Protocol

IP
MTU
MRTG

Internet Protocol
Maximum Transmission Unit
Multi Router Traffic Grapher

OWD

One-Way Delay

PCT
PDT
PDU
PGM
PNCM
PPPT
PRM
QoS

Pairwise Comparison Test
Pairwise Difference Test
Protocol Data Unit
Probe Gap Model
Post Narrow Capacity Mode
Packet Pair/Packet Train
Probe Rate Model
Quality of Service

Tốc độ khoảng dịch tiệm cận
Kiểu dung lượng
Lưu lượng cạnh tranh
Đến trước phục vụ trước
Vào trước ra trước
Hàng đợi công bằng
Giao thức tin nhắn điều khiển Internet
Giao thức Internet

Đơn vị truyền lớn nhất
Phát hoạ lưu lượng đa định tuyến
Trễ một chiều
Kiểm tra tương quan của cặp
Kiểm tra sai khác của cặp
Khối giao thức dữ liệu
Mô hình khoảng cách dò
Kiểu dung lượng hẹp
Cặp gói/ chuỗi gói
Mô hình tốc độ dò
Chất lượng dịch vụ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT


vi

RBPP
RCV
RED
RSS
RTT
SBPP
SCDR
SLoPS
SMTP
SND
TCP
TOPP
UDP

VPS
WFQ

Receiver Base Packet Pair
Receiver
Random Early Drop
Residual Sum of Squares
Round-Trip-Time
Sender Base Packet Pair
Sub-Capacity Dispersion Range
Self-Loading Periodic Streams
Simple Mail Transfer Protocol
Sender
Transmission Control Protocol
Trains of Packet Pair
User Datagram Protocol
Variable Packet Size
Weight Fair Queuing

Cặp gói dựa trên đầu thu
Đầu thu
Đánh rớt sớm ngẫu nhiên
Tổng bình phương dư
Thời gian một tiến trình
Cặp gói dựa trên đầu phát
Dãy phân tán dung lượng con
Chuỗi chu kỳ tải
Giao thức truyền mail đơn giản
Đầu phát
Giao thức điều khiển đường truyền

Chuỗi cặp gói
Giao thức gói người dùng
Kích thước gói thay đổi
Hàng đợi trọng số công bằng

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu hình
1.1
1.2

Tên hình
Tổng quan bên trong của bộ định tuyến Internet
Quan hệ giữa băng thông tuyến, lưu lượng cạnh tranh
trên tuyến và băng thông khả dụng của đường mạng

Trang
6
10


vii

1.3
1.4
2.1

Mô hình ống lưu lượng cho một path có 3 hop
Các thành phần cơ bản của một phiên dò
Đo khoảng cách gói dò sử dụng mô hình PGM tại

11
15
19

2.2
2.3
2.4
2.5

điểm bắt đầu và điểm cuối trên đường mạng
Mô hình PGM
Kết quả từ mô hình PRM
Mô hình cặp gói (Packet-Pair Model)
Các gói dò trong Bprobe đi từ đầu phát đến đầu thu rồi

20
21
22
24

2.6
2.7

quay ngược về
Phương pháp lọc giao và hợp
Các trường hợp thay đổi khoảng lệch giữa các gói dò

28
31

2.8

của cặp gói.
Các mẫu kết quả đo được biểu diễn bằng giá trị băng

32

thông đo được theo băng thông tiềm năng
Hai trường hợp trong phương trình (2.7)
CT theo đường mạng
CT theo từng hop
Biểu đồ của phân bố β trong trường hợp CT thấp
Biểu đồ của phân bố β trong trường hợp CT cao
Phân bố β trong trường hợp kích thước gói CT cố định
Phân bố β trong trường hợp kích thước gói CT thay

33
34
34
36
36
37
37

2.9
2.10a
2.10b
2.11a
2.11b
2.12a

2.12b
2.12c
2.12d
2.13a
2.13b
2.14a
2.14b
2.14c
2.15
2.16a
2.16b
2.17a
2.17b
3.1
3.2
3.3
3.4

đổi từ 40 byte đến 1500 byte
Phân bố β(N), N=5; u=80%.
Phân bố β(N), N=2; u=80%.
Phân bố β(N), N=3; u=80%.
Các biến thiên OWD khi R>A
Các biến thiên OWD khi RCác biến thiên OWD khi R=A
So sánh giữa PCT và PDT cho một chuỗi dò có xu

39
39
40

40
45
46
46
51

hướng tăng OWD
Các PCT của 3 nhóm
Giá trị PDT của 3 nhóm
Link narrow ≡ link tight
Link narrow ≠ link tight
Tốc độ của các luồng khác nhau khi truyền qua mạng
Tốc độ m tại đầu thu là hàm của băng thông đề xuất o
Các phần của chuỗi TOPP
Chuỗi dò TOPP, biểu diễn việc tăng bậc thang của

51
52
55
55
59
60
64
65

Phân bố β(N), N=10; u=80%.


viii

3.5
4.1
4.2
4.3
4.4

băng thông đề xuất theo thời gian
Đồ thị của o/f là hàm của o
Mô hình lược đồ thực hiện của OPNET
Mô hình mạng IP sử dụng để mô phỏng
Mô hình mạng IP có nhiều lưu lượng cạnh tranh
Mô hình mạng IP có tuyến cổ chai

67
75
76
80
84


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay lưu lượng mạng tăng không ngừng do sự phát triển của các ứng dụng
và các thuê bao mới, vì vậy rất khó dự đoán lưu lượng trong mạng chính xác. Làm
thế nào để đo đạc và giám sát lưu lượng trong mạng IP là vấn đề rất được quan tâm
nghiên cứu. Việc đo đạc và giám sát được lưu lượng giúp đảm bảo chất lượng dịch
vụ mạng IP với các yêu cầu về đặc tính lưu lượng và chất lượng dịch vụ khác nhau.
Băng thông có quan hệ mật thiết với lưu lượng, băng thông còn được sử dụng để ám

chỉ lưu lượng dữ liệu truyền. Các hợp đồng dịch vụ giữa nhà cung cấp và khách
hàng thường là chất lượng dịch vụ dựa trên băng thông. Các giao thức định tuyến,
chống tắt nghẽn đều được phát triển dựa trên cơ sở băng thông. Chính vì vậy, băng
thông có vai trò quan trọng trong việc truyền dẫn tín hiệu. Sử dụng các phương
pháp đo băng thông trong mạng IP là một cách để đo đạc và giám sát lưu lượng
trong mạng IP đảm bảo được chất lượng dịch vụ.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp nghiên cứu và công cụ đã được các nhà
khoa học xây dựng và công bố. Tuy nhiên phương pháp và công cụ nào là thích hợp
với từng trường hợp cụ thể của mạng giúp đo đạc chính xác và thuận tiện là vấn đề
rất được quan tâm. Vì vậy, việc tìm hiểu nghiên cứu về các kỹ thuật đo đạc cũng
như đánh giá băng thông, thực hiện mô phỏng đánh giá các phương pháp và ứng
dụng thực tế là một đề tài có tính thực tiễn và cần thiết.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở tìm hiểu về đo băng thông trong mạng IP và nghiên cứu các phương
pháp công cụ đo băng thông trong mạng IP, luận văn tiến hành phân tích, so sánh,
đánh giá một số phương pháp đo băng thông trong mạng IP. Từ đó, lựa chọn đánh
giá phương pháp đo băng thông sử dụng kỹ thuật TOPP.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Tổng quan về kiến trúc mạng viễn thông, mạng máy tính


2

- Các lý thuyết phục vụ đo băng thông (lý thuyết lưu lượng ,hàng đợi…)
- Công cụ mô phỏng.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
•

Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

•

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng các phương pháp, công cụ đo băng
thông trong mạng IP

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu về các phương pháp đo băng thông trong mạng IP có thể giúp cho
việc đo đạc băng thông một cách chính xác trên cơ sở nắm được các phương pháp
đo và các công cụ đo băng thông. Đồng thời việc đo đạc là cơ sở để đánh giá chất
lượng của mạng vì băng thông có quan hệ mật thiết với lưu lượng, dịch vụ mạng và
chất lượng dịch vụ QoS.
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Cấu trúc luận văn gồm 4 chương như sau:
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BĂNG THÔNG VÀ ĐO BĂNG THÔNG TRONG
MẠNG IP
Trong chương này sẽ trình bày các vấn đề cơ bản nhất về mạng IP, băng thông
trong mạng IP và phương pháp đo băng thông cơ bản gồm các nội dung:
- Các khái niệm cơ bản trong mạng IP như: định tuyến, trễ đường truyền, trễ xử
lý, trễ hàng đợi, chính sách lập lịch…
- Các định nghĩa về băng thông, phân loại băng thông trong mạng IP.
- Vai trò của đo băng thông đối với chất lượng dịch vụ
- Phương pháp đo băng thông cơ bản: phương pháp đo băng thông tích cực và
phương pháp đo băng thông thụ động.
Chương 2. SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH BĂNG
THÔNG TRONG MẠNG IP
Trong chương 2 trình bày về các phương pháp và công cụ đo băng thông khác
nhau, phân tích các mô hình đo băng thông và các công cụ đo tiêu biểu để thấy


3

được ưu, nhược điểm của nó và lựa chọn ứng dụng chúng trong các trường hợp cụ
thể. Vì vậy các vấn đề được trình bày trong chương 2 gồm:
- Các mô hình ước tính băng thông trong mạng IP: Mô hình khoảng cách gói dò
PGM và mô hình tốc độ gói dò PRM.
- Phương pháp đo dung lượng đầu cuối đến đầu cuối bằng phương pháp cặp gói/
chuỗi gói
- Khảo sát một số công cụ đo dựa trên kỹ thuật cặp gói/chuỗi gói
- Phương pháp đo băng thông khả dụng đầu cuối đến đầu cuối bằng kỹ thuật

SLoPS
- Khảo sát một số công cụ đo dựa trên kỹ thuật SLoPS
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH BĂNG THÔNG TRONG MẠNG IP SỬ
DỤNG KỸ THUẬT TOPP
Trong chương này sử dụng phương pháp đo băng thông bằng kỹ thuật TOPP để
đo băng thông khả dụng vì nó có thể ước lượng băng thông khả dụng cổ chai bị ẩn
trong các phương pháp chuỗi gói.
Vì vậy chương này trình bày những vấn đề sau:
- Giới thiệu những vấn đề cơ bản của phương pháp đo TOPP.
- Các giả thiết và các định nghĩa sử dụng trong TOPP
- Phương đo băng thông khả dụng sử dụng kỹ thuật TOPP với 2 giai đoạn cơ
bản là: Giai đoạn dò và giai đoạn phân tích.
- Giai đoạn phân tích với sử dụng hồi quy tuyến tính từng đoạn để ước lượng
băng thông khả dụng đầu cuối đến đầu cuối
Chương 4. MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH BĂNG THÔNG
TRONG MẠNG IP SỬ DỤNG PHẦN MỀM OPNET
Trong chương này sử dụng phần mềm OPNET mô phỏng mô hình mạng và tính
toán băng thông khả dụng. Sử dụng phần mềm OPNET sẽ ước lượng được dung
lượng sử dụng của đường mạng, từ đó thu được băng thông khả dụng của mạng với
các lưu lượng cạnh tranh trên đường mạng và dựa trên gói dò được gửi vào mạng.

Để xác định băng thông khả dụng đầu cuối đến đầu cuối chúng ta cần phải biết


4

dung lượng của mạng và băng thông khả dụng được tính toán là hiệu giữa dung
lượng và tổng lưu lượng sử dụng trên đường mạng.


5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BĂNG THÔNG VÀ ĐO BĂNG THÔNG
TRONG MẠNG IP
GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Vấn đề trễ đường truyền và băng thông hạn chế là một trong các nguyên nhân
làm chậm tốc độ truyền dữ liệu trong mạng IP. Vì vậy vấn đề đo băng thông trong
mạng IP rất quan trọng. Tuy nhiên các công cụ đo băng thông hiện nay lại chưa
được triển khai rộng rãi và hiểu một cách đầy đủ. Các công cụ đo băng thông còn có
một số hạn chế như: ít chính xác, thiếu độ mạnh thống kê, ít linh hoạt để tương
thích với những thay đổi băng thông. Vì vậy, hiểu được khái niệm, vai trò băng
thông và làm thế nào để đo băng thông mạng chính xác là rất quan trọng trong
nhiều ứng dụng mạng.
Mục tiêu chương này nhằm giới thiệu những vấn đề sau:
- Các khái niêm cơ bản trong mạng IP như: định tuyến, trễ đường truyền, trễ xử
lý, trễ hàng đợi, chính sách lập lịch.
- Các định nghĩa về băng thông, phân loại băng thông trong mạng IP.
- Vai trò của đo băng thông đối với chất lượng dịch vụ
- Phương pháp đo băng thông cơ bản: phương pháp đo băng thông tích cực và
phương pháp đo băng thông thụ động.
1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠNG IP

Các thành phần trên mạng IP có thể chia thành 2 loại là các host và các bộ định
tuyến. Host có thể là các máy tính cá nhân, các máy trạm tại văn phòng, các
mainframe trong các ngân hàng hoặc các server lưu trữ và truyền thông tin như
trang web, email v..v.
Các host này được kết nối trực tiếp với nhau bởi các tuyến nối (link), hoặc chúng
cũng có thể được kết nối với nhau qua các router trung gian.


6

Tuyến nối (link) là môi trường vật lý mà dữ liệu được truyền qua, một tuyến cho
phép truyền dữ liệu tại một tốc độ nhất định còn gọi là băng thông tuyến. Khi b bit
truyền trên tuyến các bit này sẽ gây ra trễ lan truyền, trễ sẽ bằng băng thông tuyến
nhân với b.
Để đánh giá tình trạng mạng người ta thường dùng phương pháp dò mạng, dò
mạng là nghiên cứu cách mà luồng các gói, luồng dò, bị ảnh hưởng bởi đường
mạng mà nó truyền qua, ảnh hưởng này một phần là do các đặc tính của các tuyến
thiết lập trên đường mạng như dung lượng và tốc độ bit lỗi. Nhưng lưu lượng cạnh
tranh cũng ảnh hưởng đến luồng dò, tương tác giữa các gói của luồng dò và các gói

Cổng đầu vào
i1
Lớp link/
vật lý
i2

Cơ cấu chuyển mạch

của lưu lượng cạnh tranh xảy ra trong các bộ định tuyến được thể hiện như hình vẽ.

Cổng đầu ra
o1
Lớp link/
vật lý
Bộ đệm
o2

Đơn vị chuyển
tiếp/ tìm kiếm
Bộ đệm

i3

Bộ xử lý
định tuyến

Hình 1.1: Tổng quan bên trong của bộ định tuyến Internet
Hình 1.1 giới thiệu tổng quan của bộ định tuyến Internet, nó có một số các tuyến
đầu vào và các tuyến đầu ra gắn với bộ định tuyến vì thế được gọi là cổng vào và
cổng ra. Chức năng cơ bản của bộ định tuyến là chuyển tiếp gói từ các tuyến ở đầu
vào đến các tuyến ở đầu ra, các tuyến này sẽ được kết nối với nhau qua cơ cấu
chuyển mạch (switching fabric). Nhiệm vụ chính của bộ định tuyến là chuyển tiếp
các gói từ tuyến ở đầu vào đến tuyến ở đầu ra.


7

Các cổng đầu vào gồm có các lớp vật lý và lớp datalink cần thiết để kết cuối các
tuyến đầu vào đến bộ định tuyến. Chúng cũng thực hiện chức năng tìm kiếm và
chuyển tiếp vì thế các gói chuyển đến cơ cấu chuyển mạch được định tuyến đến

đúng cổng đầu ra. Tìm kiếm sẽ căn cứ vào bản định tuyến để tìm kiếm địa chỉ đích
trong header IP của gói. Thời gian để thực hiện tìm kiếm và chuyển tiếp được gọi là
trễ xử lý (processing delay).
Khi truyền luồng lưu lượng trên Internet, các gói đến tại router, đích đến là cùng
một tuyến đầu ra tại một tốc độ vượt quá dung lượng của tuyến đó. Để giải quyết
vấn đề quá tải, các router thường có các bộ đệm tại các cổng đầu vào và đầu ra.
Điều này là cần thiết nếu cơ cấu chuyển mạch không đủ nhanh để giữ với tốc độ
tuyến của các tuyến đầu vào. Trong trường hợp này, các gói có thể đến router nhanh
hơn là các gói truyền qua cơ cấu chuyển mạch.
Các gói xếp hàng sẽ gây ra trễ hàng đợi (queue delay) cộng vào trễ gói cố định
(gồm tổng của trễ truyền dẫn, trễ lan truyền và trễ xử lý).
Các gói thỉnh thoảng xếp hàng dẫn đến câu hỏi đặt ra là làm thế nào để giải
quyết các gói xếp hàng tức là thứ tự mà các gói trong hàng đợi đầu ra được truyền.
Thứ tự này được xác định dựa vào chính sách lập lịch (scheduling policy) của
router. Chính sách đơn giản nhất và phổ biến rộng rãi trên Internet là “ đến trước
phục vụ trước” (FCFS). Điều này nghĩa là các gói được lựa chọn để truyền cùng thứ
tự khi chúng đến tại hàng đợi. Như vậy, các gói tại đầu hàng đợi là gói tiếp theo sẽ
được truyền.
1.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ BĂNG THÔNG
1.2.1 Định nghĩa băng thông
Băng thông trong mạng IP là tốc độ mà một phần tử mạng có thể truyền lưu
lượng. Có hai tham số băng thông thường gặp là băng thông vật lý hay còn gọi là
Dung lượng và Băng thông khả dụng.


8

 Băng thông vật lý
Dung lượng chính là băng thông vật lý, là tốc độ cực đại mà một phần tử mạng
có thể truyền được. Để hiểu rõ khái niệm này, chúng ta khảo sát một đường mạng

đầu cuối – đầu cuối bao gồm một chuỗi các tuyến nối tiếp để truyền các gói tin từ
đầu phát đến đầu thu như trên hình 1.1. Ta gọi các tuyến ở lớp 2 là các segment và
các tuyến ở lớp IP (lớp 3) là hop. Một hop có ít nhất một segment nối với nhau
thông qua các thiết bị lớp 2 như bộ chuyển mạch, cầu... Một tuyến của lớp 2
(segment) có thể truyền dữ liệu với tốc độ không đổi. Ví dụ trên segment 10Base
Ethernet có tốc độ 10Mbps hay trên segment T1 là 1.544Mbps. Tốc độ truyền dẫn
của một segment giới hạn bởi băng thông vật lý của môi trường lan truyền và cả
phần cứng thiết bị truyền.
Tại lớp IP một hop truyền dữ liệu với tốc độ thấp hơn tốc độ truyền danh định
của nó do phần mào đầu đóng gói và tạo khung ở lớp 2. Giả sử dung lượng danh
định của một segment là CL2 thì thời gian để truyền một gói tin IP kích thước L3 byte
là:
∆ L3 =

LL3 + H L2

(1.1)

CL2

Với HL2 là toàn bộ phần mào đầu lớp 2 cần cho việc đóng gói gói tin IP. Vì vậy,
dung lượng CL3 của segment đó tại lớp IP là:
CL3 =

LL3
∆ L3

=

LL3

= CL2
LL3 + H L2
CL2

1+

1
H L2

(1.2)

LL3

- Dung lượng tại lớp IP phụ thuộc vào kích thước gói tin IP tương ứng với phần
mào đầu lớp 2. Đối với 10BaseT Ethernet, CL2 là 10Mbps và HL2 là 38 byte thì dung
lượng của hop là 7.24Mbps đối với các gói 100 byte và 9.75Mbps đối với gói 1500
byte.
Như vậy:


9

-

Dung lượng của một tuyến (hop): Dung lượng C i của một hop i là tốc độ
truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được ở lớp IP tại hop đó.

-

Dung lượng của một đường mạng (đầu cuối – đầu cuối): mở rộng định

nghĩa trên ta có thể định nghĩa dung lượng C của một đường mạng đầu
cuối – đầu cuối là tốc độ cực đại tại lớp IP mà đường mạng có thể truyền
dữ liệu từ nguồn đến đích.

Nói một cách khác, dung lượng của một đường mạng thiết lập một giới hạn
trên của thông lượng lớp IP mà người sử dụng mong muốn có được từ một đường
mạng. Dung lượng tuyến nhỏ nhất trong đường mạng xác định dung lượng C đầu
cuối - đầu cuối:
C = min Ci
i =1,..., H

(1.3)

Với Ci là dung lượng của hop thứ i và H là số lượng các hop trên một đường mạng.
Hop với dung lượng nhỏ nhất được gọi là “tuyến hẹp” (narrow link) trên một
đường mạng.
Trong băng thông vật lý, các định nghĩa liên quan đến dung lượng được đưa xem
xét ở trên với điều kiện là không có mặt lưu lượng cạnh tranh CT
 Băng thông khả dụng (A-Bw)
Băng thông khả dụng là dung lượng chưa được sử dụng của tuyến trong một
khoảng thời gian nhất định. Trong khi băng thông vật lý của tuyến phụ thuộc vào
công nghệ và môi trường truyền dẫn thì băng thông khả dụng phụ thuộc vào lưu
lượng tải trên tuyến.


Băng thông

10

Băng thông tuyến

Băng thông khả dụng

Tốc độ của lưu lượng
cạnh tranh hợp lại

Hình 1.2: Quan h
Hình 1.2: Quan hệ giữa băng thông tuyến, lưu lượng cạnh tranh trên tuyến và băng
thông khả dụng của đường mạng
Băng thông khả dụng phụ thuộc vào lưu lượng đang có trên mạng tức là phụ thuộc
vào độ chiếm dụng băng thông của lưu lượng đang tồn tại trên mạng. Như vậy ABw thay đổi theo thời gian.
Tại một thời điểm tức thời nào đó, một tuyến có thể có dung lượng hoặc bị đầy
do truyền gói tin hoặc có thể rỗi, vì thế độ chiếm dụng tức thời của một tuyến chỉ có
thể là 0 hay 1. Do vậy để định nghĩa A-Bw có ý nghĩa thì độ chiếm dụng phải được
xét trong một khoảng thời gian nhất định để lấy giá trị trung bình. Cụ thể như sau:
Gọi u = (t − τ , t ) là độ chiếm dụng băng thông trung bình trong khoảng thời gian
(t − τ , t ) được tính theo công thức:
t

1
u ( t − τ , t ) = ∫ u ( x ) dx
τ t −τ

(1.4)

Với u(x) là độ chiếm dụng băng thông tức thời của tuyến tại thời điểm x. Trong
các công cụ đo băng thông khả dụng τ được xem là thang thời gian đo trung bình
của A-Bw.

11

Nếu Ci là dung lượng hop thứ i và uiτ là độ chiếm dụng băng thông trung bình của
hop đó trong một khoảng thời gian τ thì băng thông khả dụng trung bình Aiτ của
hop thứ i được cho bởi phương trình sau:
Aiτ = (1 − uiτ )Ci

(1.5)

Mở rộng định nghĩa trên cho một đường mạng có H hop, A-Bw của một path đầu
cuối - đến - đầu cuối là A-Bw nhỏ nhất của toàn bộ H hop:
A = min Aiτ

(1.6)

i =1,..., H

Hop có A-Bw nhỏ nhất được gọi là tuyến chặt (tight link) của một đường mạng đầu
cuối-đến-đầu cuối.
Hình 1.2 mô tả “mô hình ống của dòng chảy lưu lượng” của một đường mạng, mỗi
tuyến được hình dung như một ống. Độ rộng của mỗi ống ứng với dung lượng của
một tuyến tương ứng. Vùng có gạch chéo của mỗi ống chỉ phần bị chiếm dụng của
một tuyến trong khi đó phần không gạch chéo chỉ dung lượng dự phòng (băng
thông khả dụng). Dung lượng nhỏ nhất của tuyến C1 (ở hình 1.2) được xác định là
dung lượng từ đầu cuối – đầu cuối, trong khi băng thông khả dụng nhỏ nhất A3 xác
định A-Bw từ đầu cuối - đầu cuối. Như vậy, trên một path narrow link có thể không
trùng với tight link.

C2
C1

A2

C3

A3

A1

Hình 1.3: Mô hình ống lưu lượng cho một path có 3 hop


12

1.2.2 Thông lượng (Throughput)
Thông lượng là lượng dữ liệu được truyền thành công từ một host này đến một
host khác thông qua một mạng. Nó được xác định bởi mọi thành phần dọc theo path
mạng từ host nguồn đến host đích, bao gồm cả phần cứng và phần mềm. Thông
lượng cũng có hai tham số thông lượng cực đại và thông lượng đạt được .
•

Thông lượng cực đại là tốc độ truyền dữ liệu tốt nhất có thể thực hiện
thành công giữa 2 host đầu cuối nếu chúng được kết nối đầu cuối đến đầu cuối.

•

Thông lượng đạt được là thông lượng giữa 2 điểm cuối phụ thuộc vào
các điều kiện như giao thức truyền dẫn, phần cứng của host, hệ điều hành,
phương pháp và các tham số điều chỉnh…Đặc tính này thể hiện tính năng mà
ứng dụng có thể đạt được.

1.3 VAI TRÒ CỦA BĂNG THÔNG ĐỐI VỚI CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
Dung lượng của hệ thống mạng lõi đã tăng lên rất nhiều do sự phát triển của
công nghệ gần đây trong truyền dẫn quang và định tuyến, chuyển mạch Ethernet tốc
độ cao. Tuy nhiên, các mạng IP được thiết kế để cung cấp dịch vụ best-effort có thể
không đảm bảo nghiêm ngặt chất lượng dịch vụ yêu cầu thời gian thực bởi vì tài
nguyên không được dành riêng và tất cả các gói được đối xử như nhau trong hầu hết
các nút. Vì vậy, giám sát tình trạng mạng và quản lý tài nguyên mạng để đảm bảo
QoS cho hiệu suất với thời gian thực yêu cầu là rất quan trọng. Việc chậm trễ phụ
thuộc phần lớn vào độ rộng băng tần của đường mạng trong nhiều tài nguyên mạng.
Mặt khác, các ứng dụng mạng có thể khai thác được lợi ích từ băng thông khả
dụng là các ứng dụng trực tuyến. Luồng lưu lượng được tạo ra bởi các ứng dụng
này có thể là các dữ liệu audio hoặc video. Tốc độ các luồng được tạo ra bởi các
ứng dụng này phải thay đổi để thích nghi bằng cách sử dụng các chương trình mã
hoá khác nhau. Một chương trình mã hoá có thể cung cấp âm thanh, hình ảnh rất sắc
nét và độ trung thực cao với yêu cầu lớn về tốc độ truyền dẫn. Ngược lại, một
chương trình mã hoá sẽ yêu cầu tốc độ truyền dẫn thấp hơn nhưng chỉ có thể cung


13

cấp âm thanh, hình ảnh với chất lượng thấp. Vì vậy nếu một ứng dụng trực tuyến có
thể biết được băng thông khả dụng sẽ có thể chọn được phương pháp mã hoá thích
hợp đảm bào được chất lượng dịch vụ yêu cầu.
Ngoài ra một ứng dụng khác của việc biết được băng thông khả dụng là việc lựa
chọn máy chủ trên mạng Internet, một trong những tiêu chí để lựa chọn máy chủ
“tốt nhất” chính là băng thông khả dụng, tức là máy chủ nào mà đường dẫn mạng
đến khách hàng có băng thông khả dụng lớn nhất.
1.4 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BĂNG THÔNG
1.4.1 Phương pháp đo thụ động

Phương pháp đo thụ động dựa trên việc phân tích các thông tin thu nhận được từ
luồng ứng dụng. Phương pháp thụ động không sử dụng các gói dò bên ngoài đưa
vào nên tránh được tác động của lưu lượng cạnh tranh lên kết quả đo, do đó kết quả
đo thường chính xác. Trên thực tế, phương pháp đo thụ động cũng vấp phải một vấn
đề như phương pháp giám sát, đó là phạm vi sử dụng phương pháp đo thụ động rất
hạn chế. Bởi vì đo thụ động đòi hỏi phải truy cập đến các router hoặc các link dọc
theo một path, loại truy cập này chỉ dành cho các nhà quản trị mạng chứ không
dành cho người dùng đầu cuối. Đặc biệt, khi router nằm ngoài phạm vi quản lý thì
các nhà quản trị mạng cũng không thực hiện được kỹ thuật đo thụ động để giám sát
băng thông.
Hơn nữa việc dung lượng của các link mạng lõi tăng lên thì phương pháp đo thụ
động cực kỳ khó khăn vì nó đòi hỏi phải “quét” các gói tin trên các tuyến dung
lượng vài Gb/s, điều này cũng dẫn đến chi phí quá lớn cho việc đo.
1.4.2 Phương pháp đo chủ động
Phương pháp đo chủ động được thực hiện bằng cách đưa các gói tin kiểm tra
(còn gọi là gói dò) vào mạng và sử dụng thông tin phản hồi để có được các kết quả
đo. Phương pháp này không cần phải truy cập vào bất kỳ một bộ định tuyến hay
một liên kết của đường mạng nào. Do vậy người dùng đầu cuối có thể sử dụng
phương pháp này để đánh giá băng thông của tuyến hay đường mạng từ các phép đo


14

đầu cuối – đầu cuối. Thậm chí các nhà quản lý mạng đôi lúc cần xác định băng
thông từ một host nằm trong phạm vi quản lý của họ đến một host nằm trong phạm
vi quản lý của nhà quản lý mạng khác. Tuy nhiên, nhược điểm của kỹ thuật đo chủ
động so với kỹ thuật đo thụ động là độ chính xác kém hơn, một trong những tác
nhân gây ra vấn đề trên là lưu lượng cạnh tranh, chúng ta sẽ nghiên cứu vấn đề này
kỹ hơn ở những chương kế tiếp.
1.5 ĐO BĂNG THÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHỦ ĐỘNG

Công cụ đo dựa trên phương pháp chủ động sớm nhất và đơn giản nhất được
biết đến là Ping. Ping được phát triển vào năm 1980, nó đo RTT (round trip time) là
thời gian gửi một gói dò đi cho đến khi nhận gói tin phản hồi ICMP. Các kết quả
của Ping được sử dụng để đánh giá vấn đề nghẽn mạng bằng cách phân tích sự thay
đổi các giá trị RTT. Traceroute được phát triển vào năm 1988, nó cũng sử dụng cơ
chế tương tự để đo RTT trên mỗi hop. Trong khi đó, được phát triển muộn hơn (vào
năm 1991) các công cụ đo như TTCP, Bprobe, Cprobe...v.v lại gửi đi một chuỗi gói
dò thay vì một gói như Ping hay Traceroute. Cùng với sự phát triển của công nghệ
chuyển mạch gói, đặc biệt vào những năm cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21 rất nhiều
các công cụ đo dựa trên phương pháp chủ động tiếp tục được phát triển như
Netimer, Pathchar, Pathload, Pathrate....v.v. Điểm chung của tất cả các công cụ đo
này là sử dụng các gói dò bên ngoài để thực hiện phép đo, tức là dựa vào đo chủ
động. Phần kế tiếp của đề tài sẽ đề cập đến nguyên tắc đo và phân loại các công cụ
đo dựa trên phương pháp đo chủ động.
1.5.1 Nguyên tắc đo
Kỹ thuật đo chủ động dùng các gói “dò” bên ngoài để thực hiện các phép đo
băng thông, có nghĩa là một luồng dò (luồng có chứa các gói tuân theo một nguyên
tắc nhất định nào đó phụ thuộc vào các kỹ thuật đo được sử dụng) được “nhét” vào
mạng bởi một máy tính (host), một host khác sẽ thu các gói dò này đồng thời phân
tích các thông tin nhận được từ các gói dò. Sử dụng các thông tin mang tính thống


15

kê này có thể rút ra một kết luận về trạng thái và một số thuộc tính của mạng. Ý
tưởng này được minh hoạ ở hình 1.4.
luồng dò
INTERNET

Bên gửi

Bên nhận

Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của một phiên dò
Nghiên cứu luồng dò bị tác động bởi mạng như thế nào, ta có thể rút ra một vài
kết luận về mạng. Tuy nhiên chúng ta cần lưu ý:
•

Thứ nhất, dò không giúp chúng ta đưa ra một kết luận mang tính
tổng thể về mạng mà nó chỉ có thể nghiên cứu một path mạng cụ thể nào đó
mà luồng dò đi qua.

•

Thứ hai, dò là cách tốt nhất để xác định các tham số đầu cuối –
đầu cuối của một đường mạng. Lý do được giải thích như sau. Một đường
mạng bao gồm nhiều tuyến và mỗi một tuyến có những thuộc tính riêng của
nó. Trong hầu hết các trường hợp không thể xác định các thuộc tính của từng
tuyến dựa vào một luồng dò. Bằng cách dò, ta có thể nói rằng “một trong các
tuyến trên đường mạng có những tính chất này” nhưng nói chung không thể
xác định cụ thể là tuyến nào.

•

Cuối cùng, các tính chất của đường mạng được xác định gián tiếp.
Với phương pháp dò thì hiểu biết về mạng vẫn chưa được rõ ràng. Chúng ta
không thế biết được nguyên nhân gây ra các “sự kiện” diễn ra trên mạng,
luồng dò chỉ khám phá rằng điều gì đó đang diễn ra. Tuy nhiên, phương pháp
dò cũng giúp chúng ta định lượng về một đường mạng.

16

1.5.2 Phân loại các công cụ đánh giá băng thông chủ động
Các công cụ đánh giá băng thông có thể được phân thành các nhóm dựa trên
tham số băng thông cụ thể mà chúng ta quan tâm và kỹ thuật đo mà các công cụ sử
dụng.
 Nhóm đầu tiên là các công cụ đo dung lượng qua mỗi hop. Nhóm công cụ
đo này dựa trên kỹ thuật dò VPS (Variable Packet Size).
 Nhóm thứ hai là các công cụ đo dung lượng đầu cuối-đến-đầu cuối. Kỹ thuật
dò bằng cặp gói /chuỗi gói PPPT với kích thước gói thay đổi được sử dụng
rộng rãi trong nhóm công cụ này.
 Nhóm thứ ba là các công cụ đo băng thông khả dụng A-Bw. Đo băng thông
khả dụng khó hơn nhiều so với đo hai tiêu chí băng thông trên do bản chất
động của nó. Các kỹ thuật đo thường được sử dụng trong nhóm này là
PPPT, SLoPS, TOPP.
 Nhóm thứ tư là các công cụ đo đo thông lượng. Kỹ thuật mô phỏng và kỹ
thuật mô hình thông lượng TCP được sử dụng trong nhóm này.
1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Có thể nói đo băng thông trong mạng IP là vấn đề rất quan trọng để đảm bảo
chất lượng dịch vụ mạng vì vậy đo băng thông rất được các nhà nghiên cứu mạng
quan tâm và đo đạt.
Hiện nay có rất nhiều công cụ đo băng thông khác nhau nhưng về cơ bản đều
dựa trên 2 phương pháp đo là: đo tích cực và đo thụ động. Phương pháp đo tích cực
được tiến hành bằng cách chèn lưu lượng vào hệ thống cần đo, trong trường hợp
này có thể là một mạng hoặc một phần của mạng. Đáp ứng sẽ được đánh giá bởi
thiết bị phát lưu lượng hoặc một hay nhiều thiết bị riêng biệt khác. Các thiết bị đo
tích cực có thể phỏng tạo theo lưu lượng thực để suy ra hiệu năng của một ứng
dụng. Hoặc nó cũng có thể được sử dụng để suy ra một vài đặc tính quan trọng của
mạng (mất gói, độ rộng băng tần khả dụng, trễ …). Các bộ khảo sát tích cực có thể

17

được đặt ở gần hay bên trong các hệ thống đầu cuối, chúng có thể cho những số liệu
tương đối chính xác về việc sử dụng mạng của khách hàng. Trái với phương pháp
đo tích cực, phương pháp đo thụ động được thực hiện bằng cách giám sát các gói
tin thực tại các điểm đo đã chọn, quá trình đo của phương pháp này hoàn toàn
không xâm nhập hay ảnh hưởng đến hoạt động của mạng.
Với phương pháp đo băng thông chủ động, có các mô hình đo băng thông khác
nhau. Chương tiếp theo sẽ đi sâu vào phân tích các mô hình đo băng thông và các
công cụ đã được các nhà nghiên cứu công bố để biết được ưu, nhược điểm của các
công cụ và ứng dụng chúng trong các trường hợp cụ thể.