Đảm bảo chất lượng dịch vụ cho truyền thông đa phương tiện thời gian thực trên internet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG TRỌNG THỦY

ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO TRUYỀN THÔNG ĐA
PHƯƠNG TIỆN THỜI GIAN THỰC TRÊN INTERNET

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
CHUYÊN NGÀNH: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH
MÃ SỐ:

LUẬN VĂNTHẠC SĨNGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Việt

Hà Nội - 2016


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn
giúp đỡ của PGS TS. Nguyễn Đình Việt. Các kết quả được viết chung với các tác giả
khác đều được sự đồng ý của tác giả trước khi đưa vào luận văn. Trong toàn bộ nội
dung nghiên cứu của luận văn, các vấn đề được trình bày đều là những tìm hiểu và
nghiên cứu của chính cá nhân tôi hoặc là được trích dẫn từ các nguồn tài liệu có ghi
tham khảo rõ ràng, hợp pháp.
Trong luận văn, tôi có tham khảo đến một số tài liệu của một số tác giả được liệt kê tại
mục tài liệu tham khảo.
Hà nội, tháng 11 năm 2016
Tác giả luận văn

Hoàng Trọng Thủy


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt luận văn này, đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và
sâu sắc đến Thầy Nguyễn Đình Việt, người đã tận tình và trực tiếp hướng dẫn tôi trong
suốt quá trình triển khai và nghiên cứu đề tài, tạo điều kiện đểtôi hoàn thành luận văn
này.
Thứ hai, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo trong
khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã
dạy bảo tận tình tôi trong suốt quá trình tôi học tập tại khoa.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn
bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận
văn.
Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép
nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. tôi rất mong được sự góp ý chân
thành của thầy cô và các bạn để tôi hoàn thiện luận văn của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 11 năm 2016
Học viên

Hoàng Trọng Thủy


MỤC LỤC
Chương 1. GIỚI THIỆU .................................................................................................. 2
1.1. Tổng quan về bộ giao thức TCP/IP và sự phát triển của mạng Internet .............. 2
Giới thiệu chung ..................................................................................................... 2
1.2. Tổng quan về truyền thông đa phương tiện (Multimedia) và chất lượng dịch vụ

(QoS) ........................................................................................................................... 3
1.2.1. Giới thiệu chung về truyền thông đa phương tiện (Multimedia) .................. 3
1.2.2. Giới thiệu chung về chất lượng dịch vụ (QoS) ............................................. 4
1.3. Kiến trúc QoS cở bản ........................................................................................... 8
1.3.1. QoS nhận dạng và đánh dấu ......................................................................... 8
1.3.2. QoS trong một thiết bị mạng ........................................................................ 9
1.4. Các mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ............................................................ 9
1.4.1. Mô hình các dịch vụ được tích hợp IntServ ................................................. 9
1.4.2. Mô hình các dịch vụ phân biệt DiffServ..................................................... 13
1.5. Kiến trúc DiffServ trong bộ mô phỏng NS2 ...................................................... 17
1.5.1. Router MRED (Milti RED) ........................................................................ 18
1.5.2. Các cơ chế đánh dấu gói tin và chính sách phục vụ ................................... 19
1.5.3. Các cơ chế lập lịch hàng đợi ....................................................................... 20
1.6. Thách thức của việc truyền thông đa phương tiện trên Internet hiện nay.......... 20
1.6.1. Hạn chế của việc truyền thông đa phương tiện hiện nay ............................ 20
1.6.2. Các phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền các dịch vụ cố gắng
tối đa (best effort) ................................................................................................. 20
Chương 2. CÁC CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG
ĐỂ ĐẢM BẢO QOS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN THỜI GIAN
THỰC ............................................................................................................................ 21
2.1. Các chiến lược quản lý hàng đợi truyền thống .................................................. 21
2.1.1. Hàng đợi FIFO (First in first out) ............................................................... 21
2.1.2. Chiến lược hàng đợi ưu tiên PQ ( Priority Queue ) .................................... 22
2.1.3. Chiến lược Packet-Based Round Robin ..................................................... 23
2.1.4. Bộ lập lịch lý tưởng GPS - Generalized Processor Sharing ....................... 24


2.1.5. Chiến lược Flow-Based Weighted Fair Queuing (WFQ) .......................... 25
2.1.6. Chiến lược Class-Based Weighted Fair Queuing (CBQ) ........................... 27
2.2. CÁC CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI ĐỘNG ...................................... 30

2.2.1. Chiến lược quản lý hàng đợi truyền thống và hệ quả ................................. 30
2.2.2. Ưu điểm các chiến lược quản lý hàng đợi động ......................................... 31
2.2.3. Thuật toán RED trong chiến lược quản lý hàng đợi động .......................... 32
2.2.4. Thuật toán A-RED ...................................................................................... 40
2.2.5. Thuật toán RIO ........................................................................................... 42
2.2.6. Thuật toán A-RIO ....................................................................................... 45
Chương 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QOS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA
PHƯƠNG TIỆN THỜI GIAN THỰC CỦA MỘT SỐ CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ
HÀNG ĐỢI.................................................................................................................... 47
3.1. Đánh giá bằng mô phỏng hiệu quả của thuật toán RED .................................... 47
3.2. Đánh giá bằng mô phỏng việc áp dụng kiến trúc mạng Diffserv có sử dụng
RED ........................................................................................................................... 50
3.2.1. Cấu hình mạng mô phỏng ........................................................................... 51
3.3. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo ............................................................ 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 60


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT

Từ

viết

tắt

Từ hoặc cụm từ

1

ACL

Access Control Lists

2

AF

Assured Forwarding

3

AIMD

4

AQM

5

A-RIO

6

CBQ

Ý nghĩa

Danh sách điều khiển truy cập

Additive-Increase

Tăng theo cấp số cộng, giảm

Multiplicative-Decrease

theo cấp số nhân

Active Queue

Quản lý hàng đợi động

Management
Adaptive – RED with

Thuật toán RED thích nghi với

In/Out bit

bit In/Out

Class-Based Weighted
Fair Queuing

7

CBR

Constant Bit Rate

8

CBS

Committed Burst Size

Kích thước cụm cam kết

9

CIR

Committed Information

Tốc độ thông tin cam kết

Rate

10

CP

Code Point

11

DiffServ

Differentiated Services

Dịch vụ phân biệt

12

EBS

Excess Burst Size

Kích thước cụm vượt mức

13

ECN

Explicit Congestion

Cờ thông báo tắc nghẽn

14

EF

Notification
Expedited Forwarding


15

FIFO

First In First Out

16

FTP

File Transfer Protocol

Giao thức truyền file

17

IntServ

Integrated Services

Dịch vụ tích hợp

18

IP

Internet Protocol

19

ISP

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ

20

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

21

NS

Network Simulator

22

PBS

Peak Burst Size

Kích thước cụm tối đa

23

PIR

Peak Information Rate

Kích thước cam kết tối đa

24

PQ

Priority Queue

Hàng đợi ưu tiên

25

PRI

Priority

26

PHB

Per-Hop Behavior

Đối xử theo chặng

27

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

Random Early

Phát hiện sớm ngẫu nhiên, Loại

Detection/Random Early

bỏ sớm ngẫu nhiên

28

RED

Drop
29

RIO

RED with In/Out bit

30

RIO – C

Rio Coupled

31

RIO - D

Rio DeCoupled

32

RR

Round Robin


33

34

RSVP

TCP

Resource Revervation

Giao thức dành trước tài

Protocol

nguyên

Transmission Control

Giao thức điều khiển truyền

Protocol

vận
Cửa sổ thời gian trượt

35

TSW

Time Sliding Window

36

UDP

User Datagram Protocol

37

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

38

WFQ

Flow-Based Weighted

Hàng đợi luồng có trọng số

39

WIRR

Fair Queuing

Weighted Interleaved
Round Robin


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1.Sự phát triển của QoS.........................................................................................
Hình 1.2.Các kỹ thuật QoS ................................................................................................
Hình 1.3.Mô hình nguyên lý hoạt động của giao thức RSVP ............................................
Hình 1.4.Kiến trúc DiffServ đơn giản................................................................................
Hình 1.4.Phân loại và đánh dấu gói tin ở router biên ......................................................
Hình 2.1.Cơ chế phục vụ FIFO .........................................................................................
Hình 2.2.Cơ chế phục vụ hàng đợi ưu tiên ........................................................................
Hình 2.3.Cơ chế phục vụ hàng đợi Packet-Based Round Robin .......................................
Hình 2.4.Cơ chế WFQ .......................................................................................................
Hình 2.5.IP Precedence bits ..............................................................................................
Hình 2.5. Chia sẻ băng thông trong CBQ .........................................................................
Hình 2.7.Giải thuật tổng quát cho RED gateway..............................................................
Hình 2.8Giải thuật RED chi tiết ........................................................................................
Hình 2.9.Các tham số thuật toán RED ..............................................................................
Hình 2.10.Giải thuật tổng quát cho A-RED gateway ........................................................

Hình 2.11.Giải thuật RIO ..................................................................................................
Hình 3.1.Mô phỏng DropTail ............................................................................................
Hình 3.2.Mô phỏng RED ...................................................................................................
Hình 3.3.Giải thuật RIO ....................................................................................................
Hình 3.4. Topo mạng mô phỏng ........................................................................................
Hình 3.5. So sánh thông lượng các kết nối UDPtrường hợp tắc nghẽn ít ........................
Hình 3.6.So sánh kích thước hàng đợi trung bìnhtrường hợp tắc nghẽn ít ......................
Hình 3.7.So sánh độ trễ hàng đợi trung bình trường hợp tắc nghẽn ít .............................


Hình 3.8 .So sánh thông lược các kết nối UDP trường hợp tắc nghẽn nhiều ...................
Hình 3.9.So sánh kích thước hàng đợi trung bình trường hợp tắc nghẽn nhiều ...............
Hình 3.10. So sánh độ trễ hàng đợi trung bìnhtrường hợp tắc nghẽn nhiều ....................


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1..So sánh RED với DropTail ...............................................................................
Bảng 3.2.Thông kê gói tin trường hợp tắc nghẽn ít ..........................................................
Bảng 3.3.Thống kê Từng kết nối Trường hợp tắc nghẽn ít ...............................................
Bảng 3.4.Thông kê gói tin trường hợp tắc nghẽn nhiều ....................................................
Bảng 3.5..Thống kê Từng kết nối trường hợp tắc nghẽn nhiều .........................................


1
MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự phát triển mạnh mẽ của mạng Internet ngày này kéo theo sự sự phát triển của
các ứng dụng trên Internet. Dữ liệu trao đổi trên mạng không chỉ đơn thuần là văn bản
(text) nữa mà thêm vào đó là dữ liệu đa phương tiện (multimedia) bao gồm có hình

ảnh (image), âm thanh (audio), phim, nhạc… Các ứng dụng đa phương tiện phổ biến
có thể kể đến như gọi điện qua mạng (Internet telephony), hội thảo trực tuyến (video
conferencing) hoặc các ứng dụng xem video theo yêu cầu (video on demand) càng
ngày càng được sử dụng rộng rãi. Vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) đang trở
nên quan trọng hơn bao giờ hết.
2. MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN
Do sự bùng nổ mạng mẽ của mạng Internet như hiện nay khiến cho dữ liệu vận
chuyển quan mạng Internet trở nên khổng lồ, nhu cầu quá lớn khiến cho việc tắc nghẽn
xảy ra thường xuyên và vấn đề đặt ra là làm sao hạn chế tối đa tắc nghẽn trên mạng
Internet và duy trì sự ổn định cao nhất cho mạng. Các kỹ thuật truyền thống nhằm
giảm thiểu tắc nghẽn trên mạng ngày càng kém hiệu quả. Mục đích của luận văn là
nghiên cứu một giải pháp quản lý và điều khiển nhằm hạn chế tối đa tắc nghẽ trên
mạng Internet. Thay vì sử dụng hàng đợi FIFO truyền thống (Trong bộ mô phỏng NS2
được gọi với cái tên DropTail) luận văn này sẽ nghiên cứu sâu các chiến lược quản lý
hàng đợi động mà tiêu biểu là RED (Random Early Detection of Congestion; Random
Early Drop), Adaptive-RED, A-RIO (Adaptive – RED with In and Out).
3. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
a)

Chương 1: Giới thiệu

b)

Chương 2: Các chiến lược quản lý hàng đợi và khả năng áp dụng để đảm

bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện thời gian thực
c)

Chương 3: Đánh giá hiệu quả đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương

tiện thời gian thực của một số chiến lược quản lý hàng đợi


2
Chương 1. GIỚI THIỆU
1.1. Tổng quan về bộ giao thức TCP/IP và sự phát triển của mạng Internet
Giới thiệu chung
Năm 1967 từ một thí nghiệm mạng do Robert L.G đề xuất. ARPA trực thuộc bộ
quốc phòng Mỹ đã kết nối 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1967 gồm: Viện
nghiên cứu Standford, Đại học California tại Los Angeles, Đại học tổng hợp Utah và
Đại học California tại Santa Barbara. Đó là mạng WAN đầu tiên được xây dựng được
gọi là ARPANET sau này là mạng Internet [17]
Bộ giao thức TCP/IP chính thức ra đời năm 1983 và được coi là chuẩn đối với
ngành quân sự Mỹ và tất cả các máy tính nối với mạng ARPANET phải sử dụng theo
chuẩn mới này. Sự phát triển như vũ bão khiến cho mọi trường đại học đều muốn gia
nhập vào mạng này và việc quản lý mạng trở nên khó khăn. Chính vì lẽ đó mạng
ARPANET được tách ra thành 2 phần là MILNET và ARPANET mới vào năm 1983,
tuy tách rời nhưng hai mạng này vẫn liên kết với nhau nhờ giao thức liên mạng IP.
Sự ra đời của TCP/IP đánh dấu mốc lịch sử quan trọng và càng ngày càng hiện rõ
điểm mạnh của nó nhất là khả năng liên kết các mạng khác với nhau một cách dễ dàng.
Vào thập kỷ 80 khi hội đồng Khoa học quốc gia Mỹ NSF (Nation Science Foundation)
thành lập mạng liên kết các trung tâm máy tính lới với nhau gọi là NSFNET. Các
doanh nghiệp đã chuyển từ ARPANET sang NSFNET. Sau gần 20 năm hoạt động
ARPANET đã dừng hoạt động vào khoảng năm 1990.
Sự phát triển của backbone NSFNET và những mạng khác đã tạo ra mội trường
thuận lợi cho sự phát triển của Internet. Năm 1995 NSFNET thu lại thành một mạng
nghiên cứu và Internet thì tiếp tục phát triển. Cùng với khả năng kết nối mở Internet đã
trở thành một mạng lớn nhất thế giới, mạng của các mạng xuất hiện trong mọi linh vực
thương mại, chính trị, quân sự, xã hội… Ngày nay khi cơ sở hạ tầng của mạng Internet
được nâng cao đã làm cho nhu cầu của các ứng dụng đa phương tiện qua mạng tăng

lên nhanh chóng.


3
1.2. Tổng quan về truyền thông đa phương tiện (Multimedia) và chất lượng dịch
vụ (QoS)
1.2.1. Giới thiệu chung về truyền thông đa phương tiện (Multimedia)
Trước đây, khi mà Internet chủ yếu là truyền data thì người ta không cần quan
tâm đến việc phân biệt và ưu tiên cho các gói tin bởi vì lúc này băng thông mạng và
các tài nguyên khác đủ để cung cấp cho các ứng dụng trong mạng, vì vậy các ISPs sẽ
cung cấp cho khách hàng của họ dịch vụ theo kiểu “Cố gắng tối đa” (Best-Effort - BE)
khi đó tất cả các khách hàng sẽ được đối xử như nhau họ chỉ khác nhau ở loại kết nối.
Đây là dịch vụ phố biến trên mạng Internet hay mạng IP nói chung. Các gói thông tin
được truyền đi theo nguyên tắc “đến trước được phục vụ trước” mà không quan tâm
đến đặc tính lưu lượng của dịch vụ là gì. Điều này dẫn đến rất khó hỗ trợ các dịch vụ
đòi hỏi độ trễ thấp như các dịch vụ thời gian thực hay video. Cho đến thời điểm này,
đa phần các dịch vụ được cung cấp bởi mạng Internet vẫn sử dụng nguyên tắc Best
Effort này.
Dữ liệu truyền thông trên mạng Internet thường được chia làm 2 loại chính là dữ
liệu dạng tĩnh và dữ liệu dạng động. Các ứng dụng trên Internet truyền thống như
Web, email, file tranfer thường truyền dữ liệu dạng tĩnh. Dữ liệu được truyền một cách
nhanh nhất có thể. Tuy nhiên trộ trễ đầu cuối có thể lên tới 10s hoặc hơn vẫn chấp
nhận được.
Dữ liệu động ở đây thường là Audio hoặc Video và các ứng dụng truyền thông
loại dữ liệu trên được gọi chung là ứng dụng đa phương tiện. Loại dữ liệu này rất nhạy
cảm với độ trễ nhưng lại cho phép sự mất mát gói tin trong một ngưỡng chấp nhận
được. Tính chất hoàn toàn trái ngược với các ứng dụng truyền thống nên nó đòi hỏi
chất lượng dịch vụ khác hoàn toàn với các ứng dụng truyền thống. Tùy theo từng yêu
cầu về chất lượng dịch vụ có thể chia ứng dụng đa phương tiện thành 3 lớp cơ bản sau:
 Truyền audio và video đã được lưu trữ

 Truyển audio và video thời gian thực
 Ứng dụng tương tác audio và video thời gian thực


4
1.2.2. Giới thiệu chung về chất lượng dịch vụ (QoS)
Quality of Service – QoS: chỉ khả năng cung cấp các dịch vụ mạng cho một lưu
lượng nào đó. Mục đích chính là điều khiển băng thông, độ trễ và jitter. Giảm độ trễ,
giảm tỉ lệ mất mát gói tin cho các ứng dụng thời gian thực và tương tác trong khi vẫn
đảm bảo phục vụ tốt cho các luồng dữ liệu khác.
Theo khuyến nghị của CCITT, E800 đưa ra một tính chất chung qua QoS: “Hiệu
ứng chung của đặc tính chất lượng dịch vụ là xác định mức độ hài lòng của người sử
dụng đối với chất lượng dịch vụ”
Khuyến nghị ETR300003 của ETSI chia và cải tiến định nghĩa của ITU thành các
định nghĩa nhỏ hơn, nó phù hợp với các yêu cầu và quan điểm của các nhóm khác
nhau trong viễn thông đó là:
 Yêu cầu QoS của người sử dụng.
 Đề nghị QoS của nhà cung cấp dịch vụ.
 Sử cảm nhận QoS từ khách hàng.
 Việc thực hiện QoS của nhà cung cấp dịch vụ.
 Yêu cầu QoS của nhà cung cấp dịch vụ.
Như vậy một cách tổng quan QoS mang ý nghĩa là “Khả năng của mạng đảm bảo
và duy trì các mức thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo như yêu cầu đã chỉ rõ
của mỗi người sử dụng”. Một ý trong định nghĩa này chính là chìa khóa để hiểu được
QoS là gì từ góc nhìn của nhà cung cấp mạng. Nhà cung cấp dịch vụ mạng đảm bảo
QoS cung cấp cho người sử dụng và thực hiện các biện pháp duy trì mức QoS khi điều
kiện mạng thay đổi vì các nguyên nhận như tắc nghẽn, hỏng hóc thiết bị hay lỗi đường
truyền v. v… QoS cần được cung cấp cho mỗi ứng dụng để người sử dụng có thể chạy
ứng dụng đó tuy nhiên người sử dụng cũng cần phải tìm hiểu các thông tin từ người
quản trị để hiểu mạng phải cung cấp những gì cần thiết cho mỗi sứng dụng.

Đảm bảo chất lượng dịch vụ thường phụ thuộc nhiều vào tài nguyên của hệ
thống, việc quản lý tài nguyên đó bao gồm có:
 Tính toán hiệu suất sử dụng tài nguyên
 Dành tài nguyên cho dịch vụ


5
 Lập lich truy cậpp tài nguyên

Hình 1.1: Sự phát triển của QoS
Các tham sốQoS chính liên quan đến
đ mạng bao gồm:
a) Độ trễ (Delay):: là thời
th gian truyền 1 gói tin từ nguồn tớii đích, nó ph
phụ thuộc vào
tốc độ truyềnn tin. Tốc
T độ truyền tin càng lớn thì độ trễ càng nh
nhỏ và ngược lại.
Delay liên quan chặặt chẽ tới băng thông. Với các ứng dụng
ng gi
giới hạn băng thông
thì băng
ăng thông càng lớn
l độ trễ càng nhỏ.
b) Thông lượng
ng (Throughput):
(Throughput) là khả năng truyền tin đượcc tính bbằng tổn số đơn vị
dữ liệu truyền đượcc trong 1 đơn vị
v thời gian ví dụ: packet/s
c) Jitter: là sự biếnn thiên độ

đ trễ. Thông số QoS jitter thiết lậpp gi
giới hạn lên lượng
biến đổi của độ trễ mà một ứng dụng có thể gặp phảii trên m
mạng. Một cách chính
xác hơn thì jitter được
đư xem như là biến động trễ.
Jitter theo lý thuyếtt có thể
th là một giá trị tương đối hoặcc tuy
tuyệt đối. Ví dụ nếu trễ
mạng cho một ứng
ng dụng
d
được thiết lập là 100ms, jitter có thểể đặt là cộng trừ 10%
độ trễ. Theo đó độ trễ
tr đảm bảo phải dao động trong khoảng
ng ttừ 90ms đến 110ms.
Mặt khác nếu giá
iá trị
tr jitter là 5ms thì độ trễ phải dao động
ng trong kho
khoảng từ 95ms
đến 105ms. Các ứng
ng dụng
d
nhạy cảm nhất với jitter là các ứng
ng ddụng thời gian thực


6
như voice, video streaming nhưng lại không quan trọng đối với các ứng dụng như

web hoặc truyền file qua mạng…
Đây là vấn đề cố hữu trọng mạng chuyển mạch gói do cơ chế định tuyến và
chuyển mạch các gói tin trong mạng của cùng một luồng có thể đi theo nhiều
đường khác nhau để đến đích khi đó độ trễ của các gói tin nay là khác nhau dẫn
tới việc jitter là không thế nào tránh khỏi.
d) Tỉ lệ mất gói tin (Packet loss ratio): là số đơn vị gói tin bị mất trong một đơn vị
thời gian, đây là một tham số QoS không thường xuyên được nói đến. Bản chất
của Internet hiên nay vẫn dựa trên nền “BE” thế nên việc mất gói tin là không
tránh khỏi. Chính vì thế tham số QoS Packet loss không nên định rõ một giới hạn
trên đối với anh hưởng của lỗi mà nên cho phép người sử dụng xác định xem có
lựa chọn cách sửa lỗi bằng việc truyền lại không hoặc các cơ chế khắc phục khác.
e) Độ khả dụng (Đáng tin cậy): Các mạng tồn tại để phục vụ người sử dụng , tuy
nhiện mạng cần có các biện pháp bảo dưỡng và phòng người trước các tình
huống hỏng hóc tiềm tàng được phát hiện và dự đoán trước. Một chiến lược đúng
đắn bằng cách định kì tách các thiết bị ra khỏi mạng và thực hiện các công việc
bảo dưỡng và chẩn đoán trong một thời gian gnawns để có thể giảm thời gian
ngưng hoạt động do hỏng hóc. Thậm chí với biện pháp bảo dưỡng hoàn hảo nhất
cũng không thể tránh được các lỗi không tiên đoán trước và các lỗi nghiêm trọng
của các thiết bị và kết nối theo thời gian.
Việc bảo trì mạng dữ liệu trở nên đơn giản hơn, hầu hết mạng dữ liệu sinh ra
dành cho kinh doanh thường là từ 8h sáng đến 6h chiều từ thứ 2 đến thứ 6. Các
hoạt động bổ trở hoặc bảo trì có thể được thực hiện ngoài giờ hoặc trong các
ngày nghỉ. Internet và web đã thay đổi tất cả, một mạng toàn cầu phải giải quyết
được vấn đề rằng thực sự có một số người luôn cố gắng truy nhập vào mạng tại
một số địa điểm và thậm chí Internet còn có ích cho một số người vào giờ ngoài
hành chính hơn.
Một năm có 31.536.000 giây, giả thiết rằng độ khả dụng của một mạng là 99%
thì điều này có nghĩa rằng nhà cung cấp dịch vụ có 315.360 giây hay 87,6 giờ
mạng không hoạt động trong 1 năm. Khoảng thời gian này là tương đối lớn. Nếu
giá trị này 99,99% thì sẽ tốt hơn nhiều. Tất nhiên nhà cung cấp dịch vụ cần nhiều

7
cơ chế dự phòng và khắc phục lỗi để đảm bảo độ sẵn sàng của mạng càng cao.
Ngày ngay QoS khả dụng của mạng thường khoảng 99,995%
f) Bảo mật: Đây là một tham số mới trong danh sách các tham số QoS nhưng lại là
một tham số quan trọng, thực tế trong một số trường hợp độ bảo mật có thể được
xét ngay sau băng thông. Gầy đây sự đe dọa rông rãi của các hacker và sự lan
tràn virus trên mạng Internet toàn cầu thì tham số này càng trở nên quan trọng
hơn. Hầu hết vấn đề bảo mật liên quan tới tính riêng tư, tự tin cậy và xác nhận
Server – Client. Các vấn đề bảo mật thường được gắn với một vài hình thức của
phương pháp mật mã như mã hóa giữ liệu và giải mã. Các phương pháp trên
mạng cũng được sử dụng như xác thực (Authentication). Một tham số QoS bảo
mật điển hình có thể là “Mã hóa và xác thực đòi hỏi trên tất cả các luồn lưu
lượng”. Ngày nay tầm quan trọng của bảo mật như một tham số QoS là rất lớn
không thể đánh giá hết được
g) Ngoài ra còn một số tham số như “Kích thước mất tin” hoặc “độ tin cậy”

Hình 1.2: Các kỹ thuật QoS


8
Mức QoS:
 Best-Effort: Đây là mức thấp nhất, dịch vụ kết nối không đảm bảo đặc trưng
bởi hàng đợi FIFO, không có sự phân loại giữa các luồng dữ liệu
 QoS Cứng: là sự đặt trước tài nguyên phục vụ cho một luồng dữ liệu xác định
trước thường được cung cấp bởi giao thức RSVP và CBR có trong kiến trúc
IntServ
 QoS Mềm: trong kiến trúc mạng phân loại (Differentiated service) dựa trên sự
phân loại các luồng dữ liệu theo nhiều mức ưu tiên thì một luồng dữ liệu nào đó

sẽ được ưu tiên phục vụ tốt hơn các luồn còn lại.
Việc lựa chọn loại dịch vụ nào để triển khai trong mạng phụ thuộc vào các yếu tố sau:
 Ứng dụng hoặc tính chất của bài toán cần giải quyết
 Chi phí cho cài đặt và triển khai dịch vụ
1.3. Kiến trúc QoS cở bản
QoS cơ bản bảo gồm có 3 phần chính
 Định dạng QoS và các kỹ thuật đánh dấu cho phép QoS phối hợp từ điểm đầu
tới điểu cuối giữa từng thành phần mạng.
 QoS trong từng thành phần mạng đơn (Các chiến lược, công cụ quản lý, lập lịch
hàng đợi).
 Các chính sách điều khiển QoS giám sát lưu lượng đầu cuối qua mạng
1.3.1. QoS nhận dạng và đánh dấu
Điểm cơ bản trong việc đảm bảo chất lượng cho các dịch vụ trên Internet là việc
ta nhận dạng, phân loại và đánh dấu được từng mức ưu tiên cho các dịch vụ để cung
cấp các chính sách phục vụ ưu tiên cho các lớp lưu lượng cũng như dịch vụ có độ ưu
tiên cao hơn các lớp còn lại. Điều này thường được thực hiện bằng cách dựa vào các
trường trong tiêu đều gói tin IP như: IP nguồn, Ip đích, Port nguồn, Port đích, hoặc các
giá trị trong trường Type Of Service…


9
1.3.2. QoS trong một thiết bị mạng
QoS trong một thiết bị mạng thường bao gồm các cơ chế sau:
a) Quản lý tắc nghẽn: do sự phát triển của mạng Internet kéo theo sự phát triển
mạnh mẽ của các ứng dụng đa phương tiên thời gian thực, các ứng dụng này
thường có lưu lượng dữ liệu bùng nổ lớn khiến cho mạng thường xuyên xảy ra
tắc nghẽn. Nếu tắc nghẽn xảy ra thì các router sẽ phản ứng như thế nào để giảm
thiểu tác hại của tắc nghẽn.
b) Quản lý hàng đợi: Vì kích thước của hàng đợi không vô hạn và độ dài của hàng
đợi tỉ lệ với độ trễ của gói tin vậy nên cần có cơ chế quản lý hàng đợi hợp lý sao

cho lượng gói tin bị drop và độ trễ hàng đợi của gói tin là chấp nhận được cũng
như khả năng hấp thu các lưu lượng đột biệt của hàng đợi
c) Hiệu suất đường truyền: router phải có các cơ chết kết hợp để đạt được hiệu
suất đường truyền cao nhất nhằm tránh lãng phí đường truyền, mặt khác cũng
cần phải cân bằng với các tham số QoS khác như độ trễ và tỉ lệ mất gói tin.
1.4. Các mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ
1.4.1. Mô hình các dịch vụ được tích hợp IntServ
Mô hình IntServ (Integrated Services) được IETF (Internet Engineering Task
Force) giới thiệu vào giữa thập niên 90 và được định nghĩa trong RFC (Request For
Comments) 1633. Mô hình này nhằm cung cấp khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ
cho một số luồng lưu lượng bằng cách đặt trước tài nguyên từ nguồn tới đích thông
qua giao thức đặt trước tài nguyên RSVP. IntServ đưa ra khả năng cho các ứng dụng
lụa chọn trong nhiều khả năng các mức điều khiển cho các gói dữ liệu, hỗ trợ QoS
theo luồng. Nó yêu cầu kiến trúc phức hợp bao gồm phân loại, xếp hang và định trình
dọc theo một tuyến đường truyền bất kỳ từ nguồn tới đích. IntServ phát triển dựa trên
nền BestEfford Internet nhưng mở rộng cho các ứng dụng tương tác và thời gian thực.
IntServ hỗ trợ cho hai lớp ứng dụng:
Các ứng dụng thời gian thực có yêu cầu chặt chẽ về băng thông và độ trễ mà
người sử dụng không có được ở mạng chỉ hỗ trợ BestEffort


10
Các ứng dụng truyền thống mà trong đó người sử dụng không phải quan tâm đến
lưu lượng cũng những người sử dụng khác, khi đó mạng được xem như mạng
BestEffort có mức tải thấp.
Nguyên lý căn bản của mô hình IntServ là dành riêng tai nguyên mạng: băng
thông, độ trễ,… cho từng luồng dữ liệu xuyên suốt từ nguồn phát cho tới đích. Tài
nguyên này không được chiếm dụng cho bất cứ một luồng dữ liệu nào khác, vì tài
nguyên bị chiếm dụng nhưng nếu không được sử dụng nó sẽ dẫn tới việc lãng phí tài
nguyên. Sự ra đời của kiến trúc IntServ nhằm giải quyết các vấn đề sau:

 Dịch vụ BestEfford không còn dủ đáp ứng nhu cầu sử dụng hàng ngày: Ngày
càng có nhiều ứng dụng khác nhau và có yêu cầu khác nhau về đặc tính lưu
lượng được triển khai, đồng thời người sử dụng cũng yêu cầu chất lượng ngày
càng cao hơn
 Sự xuất hiền ngày càng nhiều của các ứng dụng đa phương tiện: mạng IP phải có
khả năng hỗ trợ không chỉ đơn dịch vụ mà còn hỗ trợ đa dịch vụ của nhiều loại
lưu lượng khác nhau từ voice, data cho đến video
 Tối ưu hóa hiệu suất sử dụng mạng và tài nguyên mạng: đảm bảo hiệu quả sử
dụng và đầu tư. Tài nguyên mạng sẽ được lưu trữ cho lưu lượng có độ ưu tiên
cao hơn
 Cung cấp dịch vụ tốt nhất cho một lớp người sử dụng.
Các mức QoS được cung cấp bởi IntServ bao gồm:
 Dịch vụ BestEffort
 Dịch vụ đảm bảo GS (Guaranteed Service)
 Dịch vụ kiểm soát tải CL (Controlled Load)
Giao thức dành trước tài nguyên RSVP
RSVP là giao thức giành tài nguyên là giao thức được sử dụng bởi Intserv được
đề cập trong RFC2205, tự động cập nhật tình trạng đường truyền khi có lỗi xảy ra.
RSVP là giao thức điều khiển Internet được thiết kế để cài đặt chất lượng dịch vụ trên
mạng IP (RSVP không phải chỉ sử dụng dành riêng với mô hình Intserv). Về tổng
quát, giao thức RSVP hoạt động như sau: Khi một node nào đó gửi dữ liệu, nó gửi một
bản tin RSVP qua các node trung gian tới nút nhận, bản tin này chứa đặc điểm lưu


11
lượng
ợng sẽ gửi, đặc điểm của các node mạng trên
tr đường
ờng đi. Node nhận sau khi nhận
được thông điệp,

ệp, căn cứ vào
v đặc điểm lưu lượng và đặc điểm đường
ờng đi, sẽ gửi lại một
thông điệp để đăng ký tài
ài nguyên tại
t các node trung gian trên
ên đư
đường đi đó. Nếu việc
đăng ký thành
ành công, node gửi
gửi bắt đầu truyền dữ liệu. Nếu không, thông điệp đi đến
node gửi sẽ báo lỗi.
RSVP có thểể mang dịch vụ yêu
y cầu và đáp ứng tương ứng của th
thành phần chấp
nhận
ận luồng từ máy tính tới router, từ router tới router và
v từ
ừ router tới máy đích (hoặc
nhiều
ều một máy). RSVP sử dụng 6 thông điệp, “Path” và
và “Resv”. Thông đi
điệp Resv
mang tham sốố dịch vụ. Thông điệp Path bắt đầu từ nguồn và
v được
ợc gửi tới đích. Mục
đích chính của nó là đểể router biết trên
tr kết nào sẽẽ chuyển tiếp thông điệp gi
giành tài
nguyên (nó cũng

ũng bao gồm định nghĩa về đặc điểm lưu
l lượng
ợng của luồng). Thông điệp
Error được sử dụng
ng khi việc
vi giành tài nguyên thất
ất bại. RSVP không phải llà một giao
thức
ức định tuyến do đó nó không cần xác định liên
li kết nào sẽ được
ợc ddùng để giành trước
mà nó dựa vào
ào các giao thức
th định tuyến bên dưới
ới để xác định tuyến đđường cho một
luồng. Một khi tuyến đườ
ờng được
ợc xác định, RSVP bắt đầu thực hiện việc gi
giành trước
tài nguyền.
ền. Trong suốt quá trình
tr
thiết lập để giành
ành tài nguyên, RSVP ph
phải được thông
qua mô đun điều
ều khiển về chính sách và
v mô đun quản
ản lý về việc chấp nhận tuyến
đường.

ờng. Mô đun điều khiển về chính sách
s
xác định xem người dùng
ùng có đđủ thẩm quyền
để giành được nguồn tài
ài nguyên hay không. Thành phần
phần chấp nhận tuyến đđường xác
định xem nút đó có đủ tài
ài nguyên để
đ cung cấp cho yêu cầu QoS hay không. N
Nếu cả hai
bước
ớc kiểm tra đều tốt, các tham số được
đ
thiết lập trong bộộ phân loại gói vvà trong bộ
lập lịch để đạt được QoS mong muốn. Tiến trình này được
ợc thực hiện tại mọi router vvà
máy tính dọc
ọc theo tuyến đường.
đ ờng. Nếu có xảy ra lỗi, thông điệp RSVP Error đđược tạo và
quảng bá cho mọi nút.

Hình 1.3:: Mô hình nguyên lý hoạt
ạt động của giao thức RSVP


12
Theo hình 1.1, máy gửi gửi bản tin PATH (mô tả thông tin truyền thông qua địa
chỉ IP nguồn và địa chỉ IP đích theo chiều đi) đến máy nhận để yêu cầu dành trước tài
nguyên và thiết lập một luồng truyền thông. Máy nhận nhận được bản tin PATH sẽ gửi

lại máy gửi bản tin RESV (mô tả thông tin truyền thông qua địa chỉ IP nguồn và địa
chỉ IP đích theo chiều về) để thiết lập và duy trì việc dự trữ tài nguyên. Khi đi qua các
router, dựa vào hai bản tin PATH và RESV, các router đăng ký nhận dạng luồng và
lưu đặc tính luồng vào cơ sở dữ liệu.
Nếu bản tin PATH lỗi thì bản tin PathErr sẽ được sử dụng để thông báo. Tương
tự, RSVP sử dụng bản tin ResvErr để thông báo lỗi cho bản tin RESV. Bên cạnh đó,
RSVP còn dùng hai bản tin PathTear và ResvTear. PathTear sử dụng để xóa bỏ tài yêu
cầu dành tài nguyên theo hướng đi đã được thiết lập. Tương tự, ResvTear sử dụng để
xóa bỏ tài yêu cầu dành tài nguyên theo hướng về.
Tại mỗi node mạng, yêu cầu dự trữ tài nguyên gồm 2 hoạt động:
 Dự trữ tài nguyên tại một node mạng.
 Chuyển tiếp yêu cầu dự trữ tài nguyên cho các node khác còn lại trên mạng.
Trong môi trường truyền đa hướng (một máy nhận dữ liệu từ nhiều máy gửi, một
máy gửi dữ liệu tới nhiều máy nhận) các yêu cầu dự trữ tài nguyên được chuyển
sang một node khác khi node trước đó đã đáp ứng việc dự trữ các yêu cầu tài
nguyên.
Một đặc điểm quan trọng của RSVP là việc giành tài nguyên được thực hiện bởi
“trạng thái mềm”. Có nghĩa là trạng thái giành tài nguyên có liên quan tới một bộ định
thời, và khi bộ định thời hết hạn, việc giành trước tài nguyên được loại bỏ. Nếu nơi
nhận muốn lưu lại trạng thái giành tài nguyên nào, nó phải đều đặn gửi các thông điệp
giành tài nguyên. Nơi gởi cũng phải thường xuyên gửi các thông điệp này. RSVP được
thiết kế dành cho kiến trúc Intserv nhưng vai trò của nó cũng được mở rộng cho giao
thức báo hiệu trong MPLS


13
1.4.2. Mô hình các dịch
ch vụ
v phân biệt DiffServ
Sự phát triển mạnh

nh mẽ
m của mạng Internet và hạ tầng mạng
ng trong nh
những năm gần
đây, ngày càng nhiềuu các tổ
t chức tham gia cung cấp các dịch vụ Intenet vvới nhiều loại
hình gói cướcc khác nhau, đáp ứng nhu cầu của nhiều ngườii dùng khác nhau tùy theo
khả năng chi trả. Lượng
ng dữ
d liệu vận chuyển trên Internet ngày càng tăng, đđể đáp ứng
thực tế đó ngoài sự phát triển
tri mạnh về phần cứng hạ tầng mạng đặặc biệt là băng thông
mạng, điều quan trọng
ng hơn là phải
ph có những chính sách phục vụụ tốt hơn tại các nút
mạng.

Hình 1.4:
1.4 Kiến trúc DiffServ đơn giản
Trong quá trình triển
tri khai đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng đa
phương tiện thời gian thự
ực trên Internet, mặc dù kiếnn trúc IntServ đđảm bảo cung cấp
QoS một cách chắc chắnn nhưng lại
l chứa khá nhiều nhược điểm
m như kh
khả năng mở rộng
(scalability) trongg core network hoặc chi phí cao, cài đặt phức tạạp và khó quản lý ở
router vì nó phản đảm
m nhiệm

nhi
rất nhiều việc dẫn tới làm chậm tốcc đđộ truyền dữ liệu và
gia tăng độ trễ end-to-end
end. Điều này đã tạo ra động lựcc cho các nghiên ccứu rộng hơn


14
để phát triển một giải pháp cung ứng QoS phi trạng thái (stateless), đó là kiến trúc
Diffserv (Differentiated services). DiffServ trở thành giải pháp QoS thứ 2 của IETF.
Diffservtrái ngược với Intserv là dựa trên từng luồng dữ liệu, nó phân loại các gói
thành một số lượng không lớn các tập (gọi là các lớp) và do đó đạt được hiệu quả cho
các mạng lớn. Các chức năng đơn giản được thực hiện tại router lõi, trong khi các chức
năng phức tạp được triển khai tại các router biên. Tính linh động rất là cần thiết vì dịch
vụ mới có thể xuất hiện và một số dịch vụ trở lên lỗi thời. Kiến trúc DiffServ khắc
phục được những nhược điểm của kiến trúc IntServ vì có tính khả triển cao. Tuy nhiên
để đáp ứng được các nhu cầu đa dạng của ứng dụng trên thực tế kiến trục được triển
khai phải đi kèm các thuật toán quản lý lưu lượng trên đó.
Các giải thuật quản lý lưu lượng có thể được phân loại theo thời gian hoạt động
của chúng hay theo khả năng điều khiển. Do đó, các giải thuật này có thể hoạt động
theo mức gói hay khối dữ liệu hay kết nối. Các nguyên lý phục vụ gói là ví dù về các
giải thuật theo mức gói hya khối số liệu, với nhiệu vụ cung cấp các phẩm chất giữa hai
đầu cưới thông qua biện pháp phân loại và lập lịch lưu lượng. Trong số các giải pháp
điều khiên lưu lượn theo từng cuộc gọi hay từng kết nối thì điểu khiển chấp nhận
(admission control) là một trong số các giải pháp phổ dụng nhất. Tùy theo vị trí hoạt
động mà có thể là tấp trung hay phân tán. Đại diện tiêu biểu cho điều khiển chấp nhận
nối phân tán là giao thức RSVP.
Nguyên lý hoạt động của mô hình DiffServ như sau: Các gói tin được phân loại
ra thành nhiều nhóm ưu tiên từ thấp đến cao tùy theo đặc điểm của từng dịch vụ, thiết
bị sẽ tiến hành cung cấp tài nguyên theo từng nhóm, nhóm nào có thứ tự cao hơn thì sẽ
được cung cấp quyền được sử dụng tài nguyên ưu tiên hơn, tài nguyên sẽ được các

nhóm thấp hơn dùng nếu nhóm trên không sử dụng nữa. Tất cả các quá trình này sẽ
được thực hiện riêng lẻ trên từng thiết bị.
Cấu trúc DiffServ
Cấu trúc của mô hình DiffServ bao gồm nhiều class lưu lượng cho từng dịch vụ
cụ thể và mỗi class được cung cấp một lượng tài nguyên xác định. Để phân biệt các
class, DiffServ sử dụng một thông tin gọi là điểm mã phân biệt dịch vụ DSCP
(Differentiated Service Code Point). DSCP có tiền thân là vùng ToS (Type of Service)
trong IP header.