Định tuyến QoS sử dụng giao thức OSPF mở rộng (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN DIỆU NGÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


HÀ NỘI - 2016

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN DIỆU NGÂN

ĐỊNH TUYẾN QoS SỬ DỤNG GIAO THỨC
OSPF MỞ RỘNG


CHUYÊN NGÀNH :KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ :60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN TIẾN BAN

HÀ NỘI - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và
chƣa hề đƣợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận
văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ nguồn gốc
rõ ràng và đƣợc phép công bố.

Học viên thực hiện

Nguyễn Diệu Ngân


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC HÌNH VẼ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU

vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

viii

MỞ ĐẦU

1

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN QoS

3

1.1 Giới thiệu định tuyến dựa trên QoS…………………………………………. 3
1.1.1 .

Định tuyến ...........................................................................................3

1.1.2 .

Định tuyến dựa trên QoS .....................................................................6

1.1.3 .

Mục đích của định tuyến dựa trên QoS ...............................................8

1.2 Các vấn đề cơ bản của định tuyến dựa trên QoS ……………………………9
1.2.1 .

Metric và sự tính toán đƣờng đi ..........................................................9

1.2.2 .

Lan truyền và duy trì thông tin ..........................................................10

1.2.3 .

Mô hình thông tin trạng thái không chính xác ..................................11

1.2.4 .

Điều khiển của quản trị mạng............................................................12

1.2.5 .

Vấn đề thuật toán trong định tuyến dựa trên QoS. ............................12

1.2.6 .

Tính động trong định tuyến dựa trên QoS .........................................16

1.3 Giao thức OSPF và vấn đề mở rộng OSPF cho định tuyến QoS……..…... 17
1.3.1 .

Giao thức OSPF .................................................................................17

1.3.2 .

Độ tin cậy trong định tuyến dựa trên QoS.........................................21

1.3.3 .

Đặt vấn đề nghiên cứu thuật toán OSPF mở rộng .............................22


iii

CHƢƠNG 2 - CÁC CƠ CHẾ ĐỊNH TUYẾN QoS 26
2.1 Định tuyến QoS nội miền…………………………………………………..26
2.1.1 .

Vấn đề thuật toán lựa chọn đƣờng đi ................................................27

2.1.2 .

Định tuyến đa đích ............................................................................33

2.1.3 .

Định tuyến liên kết riêng biệt ............................................................35

2.1.4 .

Phƣơng pháp định tuyến dựa trên dự đoán........................................36

2.2 Định tuyến QoS liên miền…………………………………………………..39
2.2.1 .

Các mở rộng QoS và kỹ thuật lƣu lƣợng sử dụng BGP ....................40

2.2.2 .

Các phƣơng pháp che phủ .................................................................40

2.2.3 .

Multihoming ......................................................................................43

2.3 Bảng định tuyến…………………………………………………………….46
2.3.1 .

Cơ chế trao đổi thông tin để xây dựng bảng định tuyến ...................47

2.3.2 .

Các chính sách cập nhật ....................................................................48

2.3.3 .

Cơ chế chuyển tiếp ............................................................................50

2.3.4 .

Chuyển tiếp hai mức giới hạn ...........................................................53

CHƢƠNG 3 - OSPF MỞ RỘNG CHO ĐỊNH TUYẾN QoS

56

3.1 Mở rộng đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cho OSPF 56
3.1.1 .

Các khả năng tùy chọn QoS ..............................................................56

3.1.2 .

Mã hóa tài nguyên khi TOS mở rộng ................................................57

3.1.3 .

Mã hóa băng thông ............................................................................59

3.1.4 .

Mã hóa trễ ..........................................................................................61

3.2 Các cơ chế thực hiện mở rộng QoS cho OSPF

61

3.2.1 .

Các thuật toán và thông tin lựa chọn đƣờng dẫn ...............................61

3.2.2 .

Thông báo thông tin trạng thái liên kết .............................................70


iv

3.3 Khảo sát cơ chế chuyển tiếp trong định tuyến OSPF mởrộng cho QoS

74

3.3.1 .

Hiệu suất của các phiên bản không giới hạn .....................................76

3.3.2 .

Hiệu suất của các phiên bản giới hạn ................................................79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

83


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Định tuyến..................................................................................................3
Hình 1.2 - Ví dụ về phƣơng pháp định tuyến dựa trên QoS .......................................7
Hình 1.3 - Mỗi quan hệ giữa ba kiêu định tuyển ........................................................7
Hình 1.4 - Cấu trúc định tuyến phân cấp ..................................................................14
Hình 1.5 - Ví dụ về bảng định tuyến phân cấp (của A1) ..........................................14
Hình 1.6 - Đƣờng dần ngắn nhất trong một sơ đồ có hƣớng ....................................16
Hình 1.7 – Cách thức lựa chọn đƣờng đi của router trong mạng ..............................18
Hình 1.8 - Bắt đầu từ router A và các LSA của nó ...................................................19
Hình 1.9 - Lựa chơn router B, và thêm các LSA của nó...........................................19
Hình 1.10 - Lựa chọn router E, tuyến đƣờng không tốt hơn tới router C .................19
Hình 1.11 - Lựa chọn router c, và thêm các LSA của nó..........................................19
Hình 1.12 - Lựa chọn router F, và thêm các LSA của nó .........................................20
Hình 1.14 - Lựa chọn router D ..................................................................................21
Hình 2.1 - Ví dụ về việc dự đoán với 2 lộ trình ........................................................38
Hình 2.2 - Cơ chế chuyến tiếp gói tin tại một nút .....................................................51
Hình 3.1 – Các mô hình mạng ..................................................................................75
Hình 3.2 - MESH-I ....................................................................................................75
Hình 3.3 - ISP ............................................................................................................76

Hình 3.4 - Flooding không giới hạn: Quả tải trên MESH-I ......................................76
Hình 3.5 - Flooding không giới hạn: băng thông nhận vào trong MESH-I ..............78
Hình 3.6 - Flooding không gicrì hạn: Quá tải trên ISP .............................................78
Hình 3.7 - Flooding không giới hạn: hăng thông nhận vào trên ISP ........................79
Hình 3.8 - Giới hạn (L): Quá tải trên MESH-I .........................................................80
Hình 3.9 - Giới hạn (L): Băng thông nhận vào trên MESH-I ...................................80


vi

Hình 3.10 - Giới hạn (L): Quả tải trên 1SP ...............................................................81
Hình 3.11 - Giới hạn (L): Băng thông nhận vào trên 1SP ........................................82


vii

CHƢƠNG 1 - DANH

MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 - So sảnh định tuyến trạng thải kết nối và véc-tơ khoảng cách. ..................5
Bảng 1.2 - Bảng chuyên tiêp cho router A ................................................................18
Bảng 2.1 - Bảng chuyển tiêp tại nút v .......................................................................50
Bảng 3.1 - Octet các tùy chọn OSPF ........................................................................56
Bảng 3.2 - Mã hóa các giả trị TOS RFC 1349 ..........................................................57
Bảng 3.3 - Mã hóa các giá trị QoS RFC 2676 ..........................................................58
Bảng 3.4 - Phạm vi của các giả trị mũ cho 13bit, dựa vào mã hóa 8 ........................59


viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Multicast Adaptive Multiple
Constraints Routing Algorithm

Thuật toán định tuyên đa ràng
buộc thích ứng đa điểm

Multi-Constrained Optimal Path

Tuyến tối ƣu đa ràng buộc

MCP

Multi-Constrained Path

Tuyến đa ràng buộc

MOSPF

Multicast Open Shortest Path
First

Mở đƣờng ngắn nhất đầu tiên đa
điểm

MP-BGP

Multi-Protocol BGP

BGP đa giao thức

MPLS

Multiprotocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

NP

Non-Polynomial

Không đa thức

OSPF

Open Shortest Path First

Mở đƣờng ngắn nhất đầu tiên

PBR

Prediction-based routing
approach

Phƣơng pháp định tuyến dựa
trên dự đoán

PIM

Protocol Independent Multicast

Chế độ đa điểm không phụ
thuộc giao thức

PNNI

Private Network - Network
Interface

Giao diện mạng - mạng cá nhân

QoS

Quality of Service

Chất lƣợng dịch vụ

QoSR

QoS-based Routing

Định tuyến dựa trên Chất lƣợng
dịch vụ

RIS

Routing Information Service

Dịch vụ thông tin định tuyến

MAMCRA

MCOP


ix

RSVP

Reservation Protocol

Giao thức giữ chỗ

SAMCRA

Self-Adaptive Multiple
Constraints Routing Algorithm

Thuật toán định tuyến đa ràng
buộc tự thích ứng

SLA

Service Level Agreement

Thỏa thuận mức độ dịch vụ

TOS

Types of Service

Kiểu dịch vụ

UMTS

Universal Mobile
Telecommunications Systems

Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu

VPN

Virtual Private Network

Mạng riêng ảo

WIFI

Wireless Fidelity

Thông tin không dây trung thực


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi công nghệ viễn thông đang phát triển mạnh mẽ trên toàn thế

giới thì vấn đề QoS là mối quan tâm lớn nhất không chỉ của các nhà cung cấp dịch
vụ viễn thông mà của cả những khách hàng sử dụng dịch vụ. Nhằm mục đích nâng
cao chất lƣợng và hiệu quả của mạng thì một trong những giải pháp đƣợc quan tâm
là định tuyến đảm bảo chất lƣợng dịch vụ (định tuyến QoS- QoSR). QoSR không
những có vai trò làm tăng chất lƣợng dịch vụ mà còn có ý nghĩa quan trọng trong
việc giảm chi phí vận hành mạng, đem lại hiệu quả kinh doanh và ý nghĩa kinh tế to
lớn trên đà phát triển của mạng viễn thông.
Vấn đề định tuyến trên mạng Internet hiện nay tập trung chủ yếu vào việc
cung cấp kết nối và thƣờng chỉ hỗ trợ dịch vụ dữ liệu ―cố gắng tối đa‖, với các giao
thức định tuyến dùng phƣơng pháp định tuyến tìm đƣờng ngắn nhất OSPF, việc
định tuyến đƣợc tối ƣu dựa trên các số đo tĩnh nhƣ là số lƣợng các chặng và các
trọng số mang tính quản trị. Dịch vụ đƣợc cung cấp bởi những giao thức này chỉ
thích hợp cho các ứng dụng dữ liệu truyền thống mà không thích hợp cho nhiều ứng
dụng yêu cầu sự đảm bảo chặt chẽ về độ trễ và băng thông. Hơn nữa, với sự phát
triển bùng nổ của lƣu lƣợng Internet, việc duy trì định tuyến tìm đƣờng ngắn nhất
của Internet hiện thời dẫn đến sự phân bố mất cân đối của lƣu lƣợng.
Các giao thức định tuyến hiện nay đƣợc sử dụng trong các mạng IP, không
có bất kỳ nhận thức nào về nguồn tài nguyên sẵn có và yêu cầu. Điều này có nghĩa
là luồng lƣu lƣợng thƣờng đƣợc định tuyến qua các tuyến đƣờng không có khả năng
hỗ trợ các yêu cầu của chúng, trong khi các tuyến đƣờng kế tiếp nhau với đủ các
nguồn tài nguyên có sẵn. Điều này có thế dẫn đến suy giảm đáng kể về hiệu suất.
Mục tiêu của định tuyến đảm bảo QoS là cung cấp các thuật toán định tuyến có khả
năng nhận biết đƣờng dẫn để đáp ứng số lƣợng tối đa có thể có của các luồng lƣu
lƣợng với các yêu cầu QoS. Theo đó, định tuyến đảm bảo QoS trong bối cảnh của
Internet ngày nay đã nhận đƣợc sự quan tâm ngày càng lớn.


2

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài nghiên cứu: ―Định tuyến QoS sử dụng giao

thức OSPF mở rộng‖ đƣợc lựa chọn. Thay vì tìm hiểu các vấn đề chung khá rộng
lớn của định tuyến QoS, ở đây chỉ tập trung vào một vấn đề cụ thể, dựa trên một
giao thức định tuyến hiện có. Cụ thể là, mô tả một tập hợp các đề xuất bổ sung cho
giao thức định tuyến OSPF để hỗ trợ cho việc định tuyến đảm bảo chất lƣợng của
dịch vụ (QoS) trong IP. Tập trung vào các luồng lƣu lƣợng đơn điểm, chú trọng tới
các metric cần thiết để hỗ trợ QoS, các cơ chế thông báo liên kết kết hợp, thuật toán
lựa chọn đƣờng dẫn, cũng nhƣ các khía cạnh của việc thiết lập tuyến đƣờng đảm
bảo QoS. Mục tiêu là định rõ một cách tiếp cận, trong khi đạt đƣợc các mục tiêu cải
thiện hiệu suất cho các luồng lƣu lƣợng QoS, làm nhƣ vậy với các tác động ít nhất
có thể trên giao thức OSPF hiện có.
Nội dung chính của luận văn gồm ba chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về định tuyến đảm bảo QoS
Nội dung chính của chƣơng này là giới thiệu các khái niệm, các vấn đề liên
quan cần nghiên cứu về định tuyến đảm bảo QoS và đặt vấn đề cho các mở rộng
sang OSPF.
Chƣơng 2: Cơ chế định tuyến QoS
Nội dung chính là trình bày về định tuyến QoS trong mạng phân cấp và các
cơ chế định tuyến đảm bảo QoS.
Chƣơng 3: OSPF mở rộng cho định tuyến đảm bảo chất lƣợng
Nội dung tập trung vào các mở rộng của OSPF cho định tuyến QoS.


3

CHƢƠNG I - TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN QoS
Giới thiệu định tuyến dựa trên QoS

1.1

1.1.1 .

Định tuyến

Định tuyến là sự lựa chọn đƣờng đi để truyền một đơn vị dữ liệu từ trạm
nguồn đến trạm đích trong một liên mạng theo tiêu chí nhất định. Chức năng định
tuyến đƣợc thực hiện ở tầng mạng, cho phép router đánh giá các đƣờng đi sẵn có tới
đích và chọn đƣờng đi thích hợp (Hình 1.1). Để đánh giá đƣờng đi, định tuyến sử
dụng các thông tin topo mạng, các thông tin này có thể do ngƣời quản trị thiết lập
hoặc đƣợc thu lƣợm thông qua các giao thức định tuyến.

Hình 0.1 - Định tuyến

Tầng mạng hỗ trợ chuyển gói từ đầu cuối tới đầu cuối cố gắng tối đa (besteffort) qua các mạng đƣợc kết nối với nhau, sử dụng bảng định tuyến để gửi các gói
từ mạng nguồn đến mạng đích. Sau khi đã quyết định sử dụng đƣờng đi nào, router
tiến hành việc chuyển gói. Nó lấy một gói nhận đƣợc ở giao diện vào và chuyển tiếp
gói này tới giao diện ra tƣơng ứng (giao diện thể hiện đƣờng đi tốt nhất tới đích cho
gói).
Mục tiêu cơ bản của các phƣơng pháp định tuyến là nhằm sử dụng tối đa tài
nguyên mạng, và tối thiểu hoá giá thành mạng. Để đạt đƣợc điều này kỹ thuật định
tuyến phải tối ƣu đƣợc các tham số mạng và ngƣời sử dụng nhƣ: xác suất tắc nghẽn,


4

băng thông, độ trễ, độ tin cậy, giá thành,v.v... Vì vậy, một kỹ thuật định tuyến phải
thực hiện tốt hai chức năng chính sau đây:
•

Quyết định chọn đƣờng theo những tiêu chuẩn tối ƣu nào đó.

•

Cập nhật thông tin định tuyến

Tuỳ thuộc vào kiến trúc, hạ tầng cơ sở mạng mà các kỹ thuật định tuyến khác
nhau đƣợc áp dụng. Các tiêu chuẩn tối ƣu khi chọn đƣờng dẫn từ trạm nguồn tới
trạm đích có thể phụ thuộc vào yêu cầu ngƣời sử dụng dịch vụ mạng. Giữa mạng và
ngƣời sử dụng có thể có các thoả thuận ràng buộc về chất lƣợng dịch vụ cung cấp
hay một số yêu cầu khác, điều đó có thể dẫn tới khả năng chọn đƣờng của mạng chỉ
là cận tối ƣu đối với một loại hình dịch vụ cụ thế, hoặc với một số nhóm ngƣời sử
dụng dịch vụ cụ thể. Chức năng cập nhật thông tin định tuyến là chức năng quan
trọng nhất mà các giao thức định tuyến phải thừa hành, các giải pháp cập nhật thông
tin định tuyến đƣa ra hiện nay tập trung vào giải quyết bài toán cân đối lƣu lƣợng
báo hiệu và định tuyến trên mạng với tính đầy đủ và sự nhanh chóng của thông tin
định tuyến.
Có nhiều cách đế phân loại giao thức định tuyến, trong đó cách phân loại phổ
biến nhất là phân định tuyến thành định tuyến theo véc-tơ khoảng cách và định
tuyến theo trạng thái liên kết.
•

Định tuyến theo trạng thái liên kết: các nút mạng quảng bá thông tin

định tuyến tới tất cả các nút trong liên mạng. Tuy nhiên, mỗi router chỉ gửi một
phần bảng định tuyến (phần mô tả trạng thái kết nối của router) và xây dựng một
bức tranh về toàn bộ mạng trong bảng topo. Mỗi khi topo trạng thái kết nối thay đổi,
các router đầu tiên biết đƣợc sự thay đổi này sẽ gửi một thông báo trạng thái kết nối
LSA (Link State Advertisement) mới tới các router khác hoặc tới một router chỉ
định (nơi các router khác có thể sử dụng để cập nhật). LSA này sẽ đƣợc tràn ngập
(flooding) tới tất cả các router trên liên mạng.
•

Định tuyến theo véc-tơ khoảng cách: là một thuật toán thích nghi

nhằm tính toán con đƣờng ngắn nhất giữa các cặp nút trong mạng, dựa trên phƣơng


5

pháp tập trung đƣợc biết đến nhƣ là thuật toán Bellman-Ford. Các nút mạng thực
hiện quá trình trao đổi thông tin trên cơ sở của địa chỉ đích, nút kế tiếp và con
đƣờng ngắn nhất tới đích.
Khi tính toán đƣờng đi ngắn nhất sử dụng định tuyến theo trạng thái liên kết
và định tuyến theo véc-tơ khoảng cách, thông tin trạng thái của mạng thể hiện qua
các số đo (Metric) thông qua giá (cost), các bộ định tuyến phải đƣợc cập nhật giá
trên tuyến kết nối. Khi có sự thay đổi topo mạng hoặc lƣu lƣợng, các nút mạng phải
khởi tạo và tính toán lại tuyến đƣờng đi ngắn nhất, tuỳ theo giao thức đƣợc sử dụng
trong mạng.
Các bảng định tuyến chứa thông tin đƣợc sử dụng bởi phần mềm chuyển
mạch để chọn tuyến tốt nhất. Các thuật toán phức tạp có thể chọn tuyến dựa trên
nhiều metric bằng cách kết hợp chúng thành một metric phức hợp. Các metric đƣợc
sử dụng phổ biến gồm: chiều dài đƣờng đi, độ tin cậy, độ trễ, băng thông, tải và giá
truyền thông. Chúng ta có thể so sánh định tuyến véc-tơ khoảng cách với định tuyến
trạng thái kết nối theo một số tiêu chí nhƣ trong Bảng 1.1:
Bảng 0.1 - So sảnh định tuyến trạng thải kết nối và véc-tơ khoảng cách.

Véc-tơ khoảng cách

Trạng thải liên kết

Nhận thức về topo mạng từ các

Có đƣợc cái nhìn toàn cảnh về liên mạng.
router kế cận.
Cộng vào véc-tơ khoảng cách từ Tính toán đƣờng đi ngắn nhất tới tất cả các
router này tới router khác.
router.
Cập nhật định kỳ, hội tụ chậm.

Cập nhật ngay khi thay đổi, hội tụ nhanh.

Chuyển bản sao của bảng định tuyến Chuyển cập nhật định tuyến trạng thái kết
tới các router kế cận.
nối tới tất cả các router.


6

Định tuyến véc-tơ khoảng cách lấy dữ liệu topo từ thông tin bảng định tuyến
của các router kế cận. Định tuyến trạng thái kết nối có đƣợc một cái nhìn toàn cảnh
về topo của liên mạng bằng cách tích luỹ tất cả các LSA cần thiết.
Định tuyến véc-tơ khoảng cách xác định đƣờng đi tốt nhất bằng cách cộng
thêm vào giá trị metric mà nó nhận đƣợc khi thông tin định tuyến đƣợc gửi từ router
này tới router khác. Đối với định tuyến trạng thái kết nối, mỗi router làm việc độc
lập trong việc tính toán đƣờng đi ngắn nhất tới các mạng đích.
Trong hầu hết các giao thức định tuyến véc-tơ khoảng cách, cập nhật định
tuyến về thay đổi topo mạng đƣợc gửi định kỳ. Các cập nhật đƣợc gửi từ router này
tới router khác, dẫn đến mạng hội tụ chậm. Với các giao thức định tuyến trạng thái
kết nối, cập nhật đƣợc gửi ngay khi topo mạng thay đổi. Các gói thông báo trạng
thái kết nối LSA có kích thƣớc tƣơng đối nhỏ đƣợc chuyển tới tất cả các router, do
đó thời gian hội tụ sẽ nhanh hơn khi topo mạng thay đối.
1.1.2 .

Định tuyến dựa trên QoS

Định tuyến dựa trên QoS là cơ chế định tuyến theo đó đƣờng đi cho các
luồng đƣợc xác định dựa trên một số hiểu biết về sự sẵn sàng của tài nguyên trong
mạng cũng nhƣ nhu cầu QoS của luồng [3]. Hay nói cách khác, đó là ―một giao
thức định tuyến động có mở rộng tiêu chí chọn đƣờng của nó bao gồm các tham số
QoS nhƣ băng thông sẵn có, hiệu quả sử dụng đƣờng đầu cuối và kết nối, mức tiêu
thụ tài nguyên nút, trễ và trƣợt, biến động trễ‖. Nói một cách ngắn gọn là định tuyến
động có tính đến QoS.
Hình 1.2 là ví dụ đơn giản về định tuyến dựa trên QoS. Giả sử có luồng lƣu
lƣợng từ nút A tới nút C yêu cầu băng thông 4Mbps, mặc dù đƣờng A-B-C ngắn
hơn, nhƣng nó sẽ không đƣợc chọn vì không có đủ băng thông. Thay vào đó đƣờng
A-D-E-C đƣợc chọn.


7

Hình 0.2 - Ví dụ về phƣơng pháp định tuyến dựa trên QoS

Bên cạnh đó, còn có hai khái niệm liên quan là định tuyến dựa trên chính
sách và định tuyến ràng buộc. Mối quan hệ giữa ba kiểu định tuyến đƣợc thế hiện
trong hình 1.3.

Hình 0.3 - Mỗi quan hệ giữa ba kiêu định tuyển

Định tuyến dựa trên chính sách là quyết định định tuyến không dựa trên hiểu
biết về topo mạng và các số đo mà dựa theo các chính sách quản trị. Định tuyến
theo chính sách thƣờng đƣợc cấu hình tĩnh.
Định tuyến ràng buộc là một quan niệm phát triển từ định tuyến dựa trên

ỌoS nhƣng có ý nghĩa rộng hơn. Nó tính đƣờng đi đế thoả mãn một số ràng buộc,
bao gồm cả các ràng buộc về QoS (yêu cầu QoS và sự sẵn sàng của tài nguyên) và
các ràng buộc theo chính sách.


8

1.1.3 .

Mục đích của định tuyến dựa trên QoS

Các giao thức định tuyến Internet hiện nay đƣợc gọi là giao thức định tuyến
―cố gắng tối đa‖. Các giao thức này chỉ sử dụng ―đƣờng ngắn nhất‖ tới đích, chúng
thƣờng dùng các thuật toán tối ƣu với mục tiêu đơn, theo đó chỉ xem xét một số đo
(băng thông, số chặng, giá). Nhƣ vậy, toàn bộ lƣu lƣợng đƣợc định tuyến vào
―đƣờng ngắn nhất‖, ngay cả khi tồn tại đƣờng cạnh tranh khác, chúng không đƣợc
sử dụng chừng nào chúng chƣa trở thành đƣờng ngắn nhất. Điều này có thể dẫn tới
tắc nghẽn của một vài kết nối, trong khi các kết nối khác không đƣợc dùng hết.
Định tuyến ―cố gắng tối đa‖ sẽ chuyển lƣu lƣợng từ một đƣờng tới đƣờng
―tốt hơn‖ mỗi khi nó tìm đƣợc. Việc này xảy ra ngay cả khi đƣờng đang dùng đáp
ứng đƣợc các yêu cầu dịch vụ của lƣu lƣợng. Kiểu chuyển đổi này là không mong
muốn vì nó dẫn tới sự dao động định tuyến, lƣu lƣợng sẽ bị định tuyến qua lại giữa
các đƣờng cạnh tranh. Thậm chí còn tồi tệ hơn vì kiếu dao động này có thế làm tăng
biến động trễ và trƣợt.
Định tuyến dựa trên QoS đƣợc cho là giải quyết hoặc tránh các vấn đề đã nêu
trên. Các mục tiêu chính của định tuyến dựa trên QoS là:
• Thứ nhất, là để đáp ứng các yêu cầu QoS của ngƣời sử dụng. Định tuyến
dựa trên QoS đƣợc giả thiết là đế tìm một đƣờng từ nguồn đến đích để thoả mãn các
yêu cầu của ngƣời sử dụng về băng thông, trễ đầu cuối, ... Ngoài ra, việc này phải
đƣợc thực hiện trong chế độ động chứ không phải là cấu hình tĩnh. Trong trƣờng

hợp có một vài tuyến khả thi sẵn có, tuyến đƣợc lựa chọn có thể là cơ sở cho một
vài chính sách ràng buộc. Ví dụ: chúng ta có thể chọn tuyến ít chi phí nhất hoặc
theo nhà cung cấp dịch vụ chỉ định.
•Thứ hai, là để tối ƣu hoá mức độ sử dụng tài nguyên mạng. Đây là mục đích
theo quan điểm của nhà cung cấp dịch vụ. Tất cả các nhà cung cấp muốn khai thác
tối đa khả năng mạng hiện thời của họ, nhờ thế đạt lợi nhuận cao nhất. Bên cạnh đó,
đây cũng là yêu cầu xuất phát từ góc độ kỹ thuật xây dựng mạng. Định tuyến dựa
trên QoS đƣợc trông đợi để quản lý lƣu lƣợng mạng một cách hiệu quả sao cho


9

thông lƣợng qua mạng là lớn nhất. Một lƣợc đồ thông thƣờng là luôn lựa chọn
đƣờng ngắn nhất trong số các đƣờng khả thi, vì đƣờng dài hơn có nghĩa là sử dụng
tài nguyên mạng nhiều hơn.
•Thứ ba, khi mà mạng ở tình trạng tải lớn, khả năng thực thi của mạng giảm,
giống nhƣ xảy ra tắc nghẽn, định tuyến dựa trên QoS đƣợc mong đợi là sẽ cho chất
lƣợng tốt hơn (ví dụ: thông lƣợng tốt hơn) so với định tuyến cố gắng tối đa, (định
tuyến cố gắng tối đa có thể làm giảm thực thi mạng một cách đột ngột).
1.2

Các vấn đề cơ bản của định tuyến dựa trên QoS
Định tuyến dựa trên QoS thì khó thiết kế và thực thi hơn nhiều so với định

tuyến cố gắng tối đa. Trong hầu hết các trƣờng hợp mục đích không phải là tìm giải
pháp tốt nhất, mà là tìm giải pháp với chi phí có thể chấp nhận đƣợc.
1.2.1 .

Metric và sự tính toán đường đi

Có hai vấn đề cơ bản của phƣơng pháp định tuyến dựa trên QoS: Thứ nhất,
đo và thu thập thông tin trạng thái mạng nhƣ thế nào; Thứ hai, tính toán các lộ trình
dựa trên thông tin đã thu đƣợc nhƣ thế nào. Sự lựa chọn metric là rất quan trọng
theo nghĩa rằng: ―các metric phải thể hiện các đặc tính mạng cơ bản mà ta quan
tâm‖. Do đó các metric nhƣ băng thông sẵn có, trễ, biến động trễ, ... đƣợc sử dụng
phổ biến; cũng nhƣ là các metric xác định kiểu bảo đảm QoS mà mạng cung cấp.
Không có phƣơng pháp hỗ trợ yêu cầu QoS nào mà không thể biếu diễn bởi tố hợp
nào đó của các metric hiện hữu.
Bên cạnh đó cần xem xét sự phức tạp trong tính toán, nghĩa là việc tính toán
đƣờng đi dựa trên một metric hoặc tổ hợp các metric phải không quá phức tạp. Tiếc
rằng, định tuyến dựa trên QoS thƣờng đƣợc thực hiện với nhiều ràng buộc và việc
tính toán đƣờng dựa trên tổ hợp nhất định nào đó của các metric đã đƣợc chứng
minh là bài toán NP (No Polynomial) hoàn thiện. Rất nhiều thuật toán đƣợc đề xuất
để giải quyết vấn đề này. Một phƣơng pháp chung nhất đƣợc gọi là ―lọc tuần tự‖,
nghĩa là ―một tổ hợp của các metric đƣợc sắp xếp thứ tự theo một dạng nào đó phản
ánh tầm quan trọng của các metric khác nhau‖. Các đƣờng đi dựa trên metric đầu


10

tiên đƣợc tính toán trƣớc tiên và tập con của chúng đƣợc loại bỏ dựa trên metric thứ
hai và cứ nhƣ thế cho đến khi một đƣờng đơn đƣợc tìm thấy. Đây là sự cân bằng
giữa sự tối ƣu hoá phẩm chất và sự đơn giản trong tính toán.
Việc tính toán đƣờng đi cũng liên quan chặt chẽ tới việc dành trƣớc tài
nguyên, nghĩa là một khi đƣờng thích hợp đã đƣợc chọn thì tài nguyên tƣơng ứng
(băng thông, không gian đệm trong các bộ định tuyến, ...) phải đƣợc dành cho dòng
lƣu lƣợng, vì vậy không thế dành cho các dòng khác. Hậu quả là, lƣợng tài nguyên
sẵn có (nhƣ băng thông) sau khi dành trƣớc phải đƣợc tính toán lại và thông tin đó
phải đƣợc phát tán tới các bộ định tuyến khác. Bằng cách này tất cả các bộ định
tuyến có thể tạo quyết định đúng đắn cho các luồng khác nhau.

1.2.2 .

Lan truyền và duy trì thông tin

Một vấn đề quan trọng là thông tin định tuyến thƣờng đƣợc trao đổi giữa các
bộ định tuyến nhƣ thế nào. Định tuyến dựa trên ỌoS cần trao đổi nhiều thông tin
hơn định tuyến cố gắng tối đa. Thứ nhất, ngoài thông tin định tuyến cần có giống
nhƣ định tuyến cố gắng tối đa, cần trao đổi cả những thông tin QoS, ví dụ nhƣ băng
thông sẵn có. Thứ hai, các metric đƣợc sử dụng trong định tuyến dựa trên QoS có
thể thay đổi rất nhanh (một lần nữa, băng thông sẵn có là một ví dụ điển hình). Nếu
nhƣ thông tin định tuyến đƣợc trao đối mỗi khi có sự thay đổi giá trị metric, nó sẽ
gây ra một tải trọng lớn cho các kết nối mạng và các bộ định tuyến, tiêu thụ băng
thông của mạng và các nhịp CPU của các bộ định tuyến.
Một cách chung nhất là thiết lập một ngƣỡng để phân biệt các thay đổi đáng
kể từ các thay đổi nhỏ. Thông tin chỉ đƣợc trao đổi khi xảy ra một thay đổi đáng kể.
Làm nhƣ thế, có thể đem lại sự ổn định của các tuyến QoS. Thêm nữa, đây là sự trả
giá giữa hiệu quả và sự chính xác của thông tin định tuyến. Một phƣơng pháp khác
là chỉ xem xét các tài nguyên sẵn có sau khi dành trƣớc thay cho các tài nguyên có
thực. Lấy băng thông là ví dụ. Giả sử một đƣờng kết nối trong mạng có băng thông
4Mbps, trong đó băng thông 3Mbps đã đƣợc dành trƣớc bởi một số đƣờng nào đó.
Vì vậy băng thông sẵn có còn lại là lMbps. Trong điều kiện là không có một luồng
mới nào dành lấy băng thông sẵn có này và không có luồng nào trả lại băng thông


11

hiện đang giữ, thì băng thông sẵn có đƣợc coi là lMbps. Nói cách khác, ta không
xem xét lƣợng băng thông đƣợc dành trƣớc nhƣng không đƣợc sử dụng, mặc dù
băng thông đƣợc dùng trong thực tế có thể thay đổi theo thời gian (có thể là
l,5Mbps tại thời điểm này và 2,5Mbps tại thời điểm khác). Hai cách này có thế đƣợc

sử dụng cùng với nhau.
Một vấn đề liên quan là duy trì thông tin thu đƣợc nhƣ thế nào. Nếu ta giữ
thông tin cho từng luồng trong các bộ định tuyến, thì kích thƣớc của bảng định
tuyến sẽ tăng lên rất nhanh. Có một gợi ý là chỉ giữ bảng định tuyến cho lƣu lƣợng
cố gắng tối đa và tính toán các đƣờng đi cho các luồng QoS theo nhu cầu. Đây là sự
hy sinh thời gian tính toán thay cho không gian bộ nhớ. Một phƣơng pháp khác có
thể là nhóm luồng. Thay cho việc ghi nhớ thông tin về các luồng riêng rẽ ta có thế
nhóm các luồng và chỉ duy trì thông tin về các nhóm luồng, với số lƣợng rõ ràng ít
hơn.
1.2.3 .

Mô hình thông tin trạng thái không chính xác

Một xu hƣớng trong thiết kế thuật toán định tuyến dựa trên QoS là ngày càng
có nhiều ngƣời tin rằng định tuyển QoS về bản chất là không chính xác. ―Không
chính xác‖ có nghĩa rằng thông tin trạng thái dùng trong định tuyến là không chính
xác. Các nguồn gốc của sự không chính xác là:
•

Tính động của mạng: một vài tham số hay metric (cụ thê là băng

thông sẵn có và độ trễ) gắn với nút và kết nối của mạng thay đổi theo thời gian. Sẽ
rất khó (thậm chí là không thể) để gửi cho thông tin thật chính xác.
•

Nhóm thông tin định tuyến: nhƣ đã đề cập ở phần trƣớc, nhóm định

tuyến là đƣợc khuyến khích để giảm sự định tuyến cập nhật tải và sự định tuyến
chứa tải, đặc biệt cho các mạng lớn. Tong tin của nhóm thƣờng mang tính đại diện
hoặc tính trung bình.

•

Thông tin ẩn: đối với việc bảo mật hoặc một vài nguyên nhân khác,

một vài thông tin định tuyến đƣợc ẩn đi và do đó không thể nhận ra.


12

•

Các tính toán gần đúng: không có giá trị nào của tham số hay metric

của mạng thực sự là chính xác. Đó chỉ là các giá trị gần đúng của các giá trị thực,
theo thời gian thực
1.2.4 .

Điều khiển của quản trị mạng

Có một số vấn đề điều khiển liên quan tới QoS.
•

Thứ nhất là vấn đề ƣu tiên và chiếm đoạt: các luồng khác nhau trong

mạng có các yêu cầu QoS khác nhau, vì thế có mức ƣu tiên khác nhau. Các luồng
quan trọng có thế đƣợc gán mức ƣu tiên cao hơn các luồng khác. Khi tài nguyên (ví
dụ nhƣ băng thông) không có đủ, các luồng này có thể chiếm tài nguyên từ các
luồng có mức ƣu tiên thấp hơn. Ví dụ luồng thoại hoặc video (với yêu cầu nghiêm
ngặt về trễ và băng thông) có thể đƣợc gán mức ƣu tiên cao hơn và đƣợc phép
chiếm băng thông hoặc bộ đệm của các luồng FTP (File Transfer Protocol - Giao

thức truyền tệp).
•

Thứ hai là vấn đề kiểm soát tài nguyên: Trong khung cảnh mạng có

nhiều lớp dịch vụ lƣu lƣợng, tài nguyên phải đƣợc phân phối công bằng giữa các
dịch vụ. Nhƣ vậy sự thiếu hụt tài nguyên của các lớp dịch vụ ƣu tiên thấp có thể
tránh đƣợc. Việc bố trí tài nguyên này có thể đƣợc thực hiện ở dạng động. Định
tuyến dựa trên QoS cần bao hàm các sơ đồ điều khiển nhƣ trên.
1.2.5 .

Vấn đề thuật toán trong định tuyến dựa trên QoS.

Về cơ bản có thể chia các thuật toán định tuyến dựa trên QoS thành ba loại:
định tuyến chặng tới chặng (còn gọi là định tuyến phân tán), định tuyến nguồn và
định tuyến phân cấp. Chúng đƣợc chia theo cách duy trì thông tin trạng thái và tìm
đƣờng thích hợp để truyền nhƣ thế nào.
•

Định tuyến nguồn: Mỗi bộ định tuyến đều chứa thông tin trạng thái

của mạng và đƣờng đƣợc chọn dựa trên thông tin trạng thái này. Sau khi đƣờng
đƣợc xác định, bộ định tuyến nguồn thông báo cách đƣa các lƣu lƣợng tải cho các
bộ định tuyến khác theo đƣờng đó. Sau đó luồng sẽ đƣợc định tuyến đến đích phù
hợp. Định tuyến nguồn là đơn giản theo nghĩa rằng chỉ bị quyết định bởi nguồn.


13

Các bộ định tuyến khác theo đƣờng truyền chỉ cần theo đƣờng xác định trƣớc đó và

nó sẽ không gây ra sự định tuyến lòng vòng. Tuy nhiên, nó cũng có những nhƣợc
điểm.
o Thứ nhất, yêu cầu mỗi bộ định tuyến chứa thông tin trạng thái mạng hoàn
chỉnh, mà điều này là khó duy trì, đặc biệt đối với mạng lớn.
o Thứ hai, nếu giảm những cập nhật thông tin trạng thái để làm giảm sự quá
tải lƣu lƣợng, thì độ chính xác của thông tin có thế bị giảm đi.
o Thứ ba, mặc dù các bộ định tuyến khác có thể dễ dàng định hƣớng lƣu
lƣợng, nhƣng việc tính toán tải tại các bộ định tuyến nguồn là rất lớn. Do vậy, thuật
toán định tuyến nguồn không linh hoạt, do vậy không tốt cho các mạng lớn.
•

Định tuyến phân tán: Trong định tuyến phân tán, mỗi bộ định tuyến

chỉ biết các chặng kế tiếp tới đích. Do đó khi một gói truyền tới, bộ định tuyến chỉ
chuyển nó tới bộ định tuyến chặng tiếp theo. Theo từng bƣớc nhƣ vậy, gói đƣợc đƣa
đến đích. Phần lớn các giao thức mạng Internet (nhƣ RIP) đều dùng thuật toán này.
Do vậy, dễ dàng để thiết kế và phù hợp hơn với các giao thức định tuyến hiện nay.
Việc tính toán tải định tuyến đƣợc góp bởi tất cả các bộ định tuyến trên đƣờng, từ
nút nguồn tới nút đích. Tuy nhiên, tồn tại vấn đề định tuyến lòng vòng khi thông tin
trạng thái định tuyến trong các bộ định tuyến khác nhau và cũng không linh hoạt.
•

Định tuyến phân cấp: Định tuyến phân cấp là phù hợp nhất cho mạng

lớn. Cấu trúc của định tuyến bao gồm nhiều cấp. Cấp trung tâm bao gồm các bộ
định tuyến chính. Những bộ định tuyến này đƣợc tổ chức thành các nhóm và hình
thành nên cấp tiếp theo. Mỗi nhóm là các nút cục bộ trong cấp kế tiếp. Quá trình xử
lý này có thể đệ quy (recursively), do đó mỗi cấp không có quá nhiều nút (các bộ
định tuyến). Thông tin định tuyến đƣợc tích hợp tại các nút tiếp giáp với mỗi nhóm.
Mỗi nút bao gồm thông tin chi tiết về nhóm của nó và thông tin đƣợc tích hợp về

các nhóm khác. PNNI và QOSPF là ví dụ tiêu biểu cho định tuyển phân cấp. Nhƣ
thấy trong hình 1.4: Al, A2, A3 tạo thành một nhóm cục bộ, đƣợc tƣơng ứng của
nút A. Tƣợng tự: Bl, B2, B3 tạo thành một nhóm; C1 và C2 tạo thành một nhóm