Đồ án Nghiên cứu về QoS

MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ ACLs Access Control Lists Bảng điều khiển truy nhập B BGP4 Border Gateway Protocol version 4 Giao thức cổng biên version 4 C CoS Class of service Lớp dịch vụ CAC Connection Admission Control Điều khiển thu nhận kết nối CAR Committed Access Rate Tốc độ truy nhập được qui định CIR Commited Information Rate Tốc độ thông tin được giao ước CQ Custom Queuing Hàng đợi khách CQS Classification, Queuing, Scheduling Phân loại, hàng đợi, lập lịch CBQ Class-Base Queuing Xếp hàng trên cơ sở lớp CBWFQ Class-Base Weighted Fair Queuing Hàng đợi hợp lý theo trọng số dựa trên cơ sở lớp CSSVC Core-Stateless Shaped Virtual Clock Đồng hồ ảo định dạng không lõi D DiffServ Differentiated Services Dịch vụ phân biệt DSCP Differentiated services codepoint điểm mã dịch vụ phân biệt E EDD Earliest Due Date Phí sớm nhất của ngày EIR Excess Information Rate tỷ lệ thông tin vượt quá F FEC Forward Error-Correcting Code Mã định hướng lỗi đúng FBI Forwarding Information Base Thông tin định hướng cơ sở FIFO First In First Out Vào trước ra trước FCFS First Come First Served Đến trước, phục vụ trước G GPS Generalized Processor Sharing Phân chia bộ xử lý chung I IntServ Integrated Service Dịch vụ tích hợp ISP Internet Service Provider Cung cấp dịch vụ mạng ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ L LAN Local Area Network Mạng cục bộ M MPLS MultiProtocol LabelSwitching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTU Maximum Transmission Unit Khối truyền dẫn lớn nhất N NP Net Performane Mạng thực thi O OSPF Open Shortest Path First giao thức tìm đường dẫn đầu tiên ngắn nhất P PVC Permanent Virtual Circuit kênh ảo cố định PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại công cộng PQ Priority Queuing Hàng đợi ưu tiên PQ PHB Per-Hop Behavior Xử lý trên từng Hop Q QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ R RED Random Early Detection Phát hiện trước ngẫu nhiên RSVP Resource Reservation Protocol Giao Thức dự trữ tài nguyên RSpec Request Specification Mô tả yêu cầu RCSP Rate-Contrlled Static Priority Ưu tiên tốc độ điều khiển cố định S SVC Switched Virtual Circuit kênh ảo chuyển mạch SLA Service Level Agreement Thoả thuận mức dịch vụ SNA System Network Architecture Hệ thống kiến trúc mạng SBM Subnet Bandweidth Management Quản lý băng thông mạng con SCFQ Self-Clock Fair Queuing Xếp hàng hợp lý tự định giờ T TSpec Traffic Specification Mô tả lưu lượng TCA Traffic Conditioning Agreement Điều kiện lưu lượng thoả thuận ToS Type of Service Trường dịch vụ U UDP User Datagram Protocol Gói dữ liệu người dùng V VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo W WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WFQ Weighted Fair Queueing Xếp hàng theo trọng số WRED Weighted Early Random Detect Phát hiện sớm ngẫu nhiên theo trọng số WF2Q Worst-Case Fair Weighted Fair Queuing Hàng đợi hợp lý theo trọng số trong trường hợp xấu LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay nghành công nghiệp viễn thông đã đạt được những thành tựu to lớn và trở thành một ngành không thể thiếu trong đời sống con người. Nhờ sự phát triển của kỹ thuật số, kỹ thuật phần cứng và các công nghệ phần mềm đã và đang đem lại cho người sử dụng các dịch vụ mới đa dạng và phong phú. Mạng IP và các dịch vụ ứng dụng công nghệ IP với các ưu điểm như tính linh hoạt, khả năng mở rộng dễ dàng và đạt hiệu quả cao … đã và đang dần chiếm ưu thế trên thị trường viễn thông thế giới. Nhiều nghiên cứu về công nghệ IP đã được thực hiện để đưa ra các giải pháp tiến đến một mạng hội tụ toàn IP. Tuy nhiên mạng IP hiện nay mới chỉ là mạng “Best Effort” -một mạng nỗ lực tối đa, mà không hề có bất kì một sự bảo đảm nào về chất lượng dịch vụ của mạng. Đồ án này nghiên cứu về QoS với mong muốn hiểu them về chất lượng dịch vụ trong mạng IP và đưa QoS vào mạng để có được một mạng IP có QoS chứ không chỉ là mạng “Best Effort”. Đồ án gồm bốn chương : Chương 1. Tổng quan về QoS: Trình bày các khái niệm cơ bản, các tham số QoS, thực trạng QoS trong các mạng viễn thông hiện nay và cách đưa QoS vào trong mạng IP bằng cách sử dụng các giao thức và các thuật toán QoS. Chương 2. Kiến trúc CQS:trình bày tổng quan về kiến trúc CQS, đặc điểm, khái niệm, các ứng dụng và các dịch vụ mạng của kiến trúc CQS. Chương 3. Scheduling: Trình bày về bộ lập lịch với các khái niệm các thuật toán và ứng dụng của chương trình lập lịch trong việc điều khiển lưu lượng, điều khiển tắc nghẽn nhằm giăi quyết vấn đề QoS trong mạng IP. Chương 4. Định hướng phát triển mạng viễn thông Việt Nam: Trình bày mạng Viễn thông trong tương lai và các ứng dụng để đưa chất lượng dịch vụ vào trong mạng tương lai. Em xin chân thành cảm ơn Th. s Nguyễn Văn Đát đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Em xin cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Mạng Viễn Thông I cùng các anh chị trong trung tâm VTN đã cung cấp tài liệu, cảm ơn những góp ý quí báu của các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án này. Ngày 25 tháng 10 năm 2005 Sinh viên: Nguyễn Thị Thu Huyền CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QoS 1. 1. Giới thiệu chung QoS là chất lượng truyền tải các thông tin trên mạng theo đúng thời gian, kiểm soát băng thông, đặt quyền ưu tiên cho các lưu thông, cung cấp mức độ an toàn cao. QoS còn được kết hợp với khả năng chuyển tải các thông tin phụ thuộc vào trễ (delay sensitive) như video trực tiếp hay âm thanh mà vẫn có đủ băng thông cho các lưu thông khác dù ở tốc độ thấp hơn. Quyền ưu tiên liên quan đến việc đánh dấu một số thông tin để có thể đi qua những mạng đông đúc trước khi những những thông tin khác có độ ưu tiên thấp hơn đi qua. Quyền ưu tiên được gọi là cấp dịch vụ (class of service) hay còn gọi la CoS. Cung cấp QoS đòi hỏi cải tiến cơ sở hạ tầng của mạng. Một kỹ thuật để mở rộng băng thông là tạo các trục chính trên mạng bằng các bộ chuyển mạch ATM hoặc Gigabit Ethernet. Điều này cũng có nghĩa là nâng cấp một mạng cục bộ dùng chung thành một mạng cục bộ chuyển mạch. Hơn nữa, các giao thức mới yêu cầu phải quản trị các quyền ưu tiên lưu thông và băng thông trên mạng. Ví dụ sau đây sẽ mô tả cách thức QoS áp dụng vào thực tế. Giả sử bạn có cơ hội để thiết kế lại hệ thống đường sá trong trung tâm. Hệ thống đường sá hiện thời không bảo đảm bạn có thể đi đến đích đúng giờ, cũng không cung cấp được những mức độ ưu tiên cho các lưu thông đặc biệt, như các xe cấp cứu hoặc có những người sẵn sàng trả tiền để được đi trên các tuyến không tắc nghẽn. Tình huống này cũng tương tự như mô hình truyền dữ liệu “nỗ lực cao nhất” (best-effort) trên Internet, mà các gói được ưu tiên như nhau và phải truyền qua các băng thông có sẵn. Việc đầu tiên là phải xác định cách thức cải tiến chất lượng dịch vụ được cung cấp bởi hệ thống đường sá. Điều này có nghĩa là phải làm giảm hay tránh các chậm trễ, dự báo các loại hình lưu thông, và tạo các thứ tự ưu tiên sao cho một số các lưu thông có thể truyền tải gấp. Một giải pháp hiển nhiên là tăng thêm các tuyến, tương đương việc nâng cao băng thông bằng cách nâng cấp thành mạng ATM hay mạng Gigabit Ethernet. Một giải pháp khác là tạo ra thêm các bộ định tuyến trực tiếp tới nơi đến quan trọng, tương đương việc tạo ra một môi trường mạng chuyển mạch mà các mạch chuyên biệt có thể được thiết lập để nối kết giữa hai hệ thống. Những quy luật không thể tránh khỏi của hệ thống đường sá cũng như các mạng là các đường truyền mới hoặc việc gia tăng băng thông sẽ nhanh chóng được dùng hết. Trong môi trường mạng, các ứng dụng multimedia sẽ dùng hết băng thông được cung cấp thêm. Nếu mở rộng băng thông, bạn cũng cần phải có các dịch vụ quản lý nó. Đây là lúc các giao thức mạng QoS đóng vai trò của nó. Cũng tương tự như trong hệ thống đường sá, khi bạn đặt một làn xe chuyên dụng chẳng hạn cho những xe cần đi gấp và cho xe buýt. Một làn xe khác được đặt riêng cho người được quyền sử dụng nó chẳng hạn như những làn xe có hình thoi (diamond lanes) có thể được sử dụng bởi những xe với hai hoặc nhiều hành khách hơn. Trên mạng, ta có thể dành riêng một băng thông và chỉ cho phép những người sử dụng được cấp quyền như những người quản lý hoặc như những ứng dụng đặc biệt như hội thảo qua video hoặc như những nghi thức đặc biệt như SNA (System Network Architecture) là những nghi thức mà phải được phân phối trong một khoảng thời gian nhất định để ngăn chặn việc quá thời hạn. Sự cấp quyền nầy giả định là có một người nào đó đang quản lý quyền ưu tiên. Nếu có nhiều người hơn được quyền đi thì kể cả những làn xe hình thoi cũng bị tắt nghẽn. Vì vậy có lẽ bạn muốn thiết lập một vài hình thức điều khiển truy cập khác chẳng hạn như trả tiền sử dụng khi qua cửa thu thuế. Do đó bất cứ ai sẳn sàng trả tiền để được đi trên những làn xe không bị tắc nghẽn sẽ được đi qua những làn xe đó. Nếu việc sử dụng tăng lên thì phí sẽ tăng lên theo. Cuối cùng, hệ thống sẽ cân bằng ít nhất cũng trên lý thuyết. Một vài người có thể truy nhập đến những làn đặc biệt do những mối quan hệ chính trị, việc phục vụ chính phủ hoặc do những uy tín có được qua việc phục vụ cộng đồng. Những người này được xác định và được cấp quyền qua một hệ thống máy tính hóa để điều khiển những chế độ ưu tiên như vậy. Trong môi trường mạng nội bộ, quyền ưu tiên của người sử dụng được thiết lập bởi những nhà quản trị mạng trên máy chủ dựa trên các policy server. Trên Internet, quyền ưu tiên và băng thông được cung cấp trên nền tảng trả tiền để sử dụng. Điều này ngăn cản những ai sử dụng quá nhiều băng thông, nhưng nó đòi hỏi những nhà cung cấp dịch vụ Internet phải đồng ý với những nhà cung cấp dịch vụ Internet khác cùng thiết lập một chất lượng dịch vụ (QoS) qua Internet và đòi hỏi họ có những hệ thống thanh toán để tính tiền khách hàng 1. 1. 1 Chất lượng dịch vụ của ATM Cung cấp chất lượng dịch vụ trên mạng ATM thì tương đối dễ dàng do nhiều nguyên nhân. Đầu tiên, ATM sử dụng các cell có kích thước cố định để phân phối dữ liệu, trái ngược với những khung có kích thước biến đổi được sử dụng trong môi trường mạng cục bộ. Kích thước cố định sẽ tiện lợi hóa việc đoán trước lưu lượng và những đòi hỏi về băng thông. Giả sử bạn tìm cách xác định có bao nhiêu xe cộ đi qua một đường hầm trong một giờ. Sẽ dễ dàng nếu tất cả các xe điều có cùng kích thước, nhưng nếu chúng là xe con, xe buýt và xe tải trung… kích thước khác nhau sẽ gây khó khăn cho việc xác định trước lưu lượng. Thuận lợi của những cell có kích thước của mạng ATM là ở chổ những nhà cung cấp dịch vụ có thể chỉ định trước băng thông và làm hợp đồng với khách hàng mà đảm bảo được chất lượng dịch vụ. Mạng ATM cũng có tính hướng kết nối. Những cell được phân phối qua những mạch ảo theo thứ tự, một yêu cầu quan trọng đối với hình ảnh và âm thanh theo thời gian thực. Trước khi gửi dữ liệu, một mạch ảo phải được thiết lập. Mạch ảo này có thể được thiết lập trước hoặc cài đặt theo yêu cầu (bằng cách chuyển mạch). Trong trường hợp sau, mạng sẽ cung cấp mạch nếu nó có thể đáp ứng đòi hỏi của người sử dụng. Chất lượng dịch vụ QoS cho những mạng trong văn phòng được thiết lập dựa trên giải pháp thuộc về quản trị hoặc các giải pháp khác. Nếu mạng được nối với mạng ATM của nhà truyền thông thì những thông số của chất lượng dịch vụ QoS cũng có thể được chuyển cho mạng đó. Những ứng dụng vừa mới hình thành có thể đòi hỏi chất lượng dịch vụ (QoS) của mạng ATM cho những dịch vụ như những mạch mô phỏng tạo với một băng thông cụ thể. Những thông số của chất lượng dịch vụ mạng ATM thường gặp bao gồm peak cell rate - tốc độ truyền cell cao nhất (tốc độ truyền cell cao nhất trong mỗi giây để phân phối dữ liệu tới người sử dụng), minimum cell rate - tốc độ truyền cell thấp nhất (tốc độ truyền cell thấp nhất có thể chấp nhận được mà mạng ATM phải cung cấp; nếu mạng không thể cung cấp đến mức độ nầy, đòi hỏi về mạch sẽ bị từ chối), cell loss ratio - tỉ lệ mất cell (cell mất có thể chấp nhận được), cell transfer delay - sự chậm trễ trong việc chuyển tải các cell (sự trì hoãn có thể chấp nhận được), cell error ratio - tỉ lệ lỗi của truyền cell (mức độ lỗi có thể chấp nhận được). Trong suốt giai đoạn cài đặt, ATM chỉ thi hành một tập các thủ tục gọi là CAC (connection admission control - điều khiển thu nhận kết nối) để xác định xem nó có thể cung cấp sự kết nối ATM hay không. Quá trình thu nhận được xác định bằng cách tính toán các yêu cầu về băng thông cần để thỏa mãn những đòi hỏi của người sử dụng về dịch vụ. Nếu mạch được thừa nhận thì mạng sẽ giám sát mạch để bảo đảm rằng những thông số được yêu cầu không được vượt quá mức cho phép. Nếu lưu lượng vượt quá qua cấp độ đã giao ước cho mạch, thì mạng có thể sẽ bỏ những gói tin trong mạch đó ra thay vì trong những mạch khác. Băng thông và chất lượng dịch vụ QoS trong mạng chuyển tải Việc có đủ băng thông luôn là một vấn đề trong môi trường dạng diện rộng (WAN). Trên những đường truyền thuê bao với mức cố định, những gói tin bị bỏ bớt khi lưu lượng vượt quá mức đo có thể. Những kỹ thuật dùng cho việc cung cấp băng thông theo yêu cầu đã phần nào giải quyết được những vấn đề này. Nhờ cảm ứng với việc quá tải, bộ định tuyến sẽ quay số để thêm một hoặc nhiều đường truyền khác để xử lý việc quá tải. Mạng chuyển gói dựa trên vật mang như frame relay và ATM được thiết kế để xử lý những cao điểm tạm thời trong lưu thông. Khách hàng sẽ ký hợp đồng để nhận một tốc độ thông tin được giao ước CIR (commited information rate) cụ thể và tỉ lệ đó có thể được vượt qua nếu có đủ băng thông và lúc đó khách hàng sẽ phải trả thêm tiền. Một điểm nữa, mạng chuyển gói bảo đảm rằng lưu thông được ưu tiên có thể đi qua trước, lưu thông không ưu tiên và do đó lưu thông theo thời gian thực có thể truyền tải qua mạng kịp lúc. Mạng chuyển gói X. 25 hỗ trợ nhiều loại đặc điểm chất lượng dịch vụ QoS cần cho việc đảm bảo sự phân phối. Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu trên mạng X. 25 còn thấp. Ngược lại, mạng frame relay không có nhiều đặc tính về chất lượng dịch vụ QoS bởi vì những người thiết kế chỉ nhắm vào tốc độ. Ngược lại, mạng ATM được thiết kế rất cặn kẽ cho cả tốc độ và chất lượng dịch vụ, như đã mô tả ở phần trước. 1. 1. 2 Những dịch vụ QoS của hệ điều hành liên mạng Cisco Các dịch vụ của hệ điều hành liên mạng của Cisco là nền để chuyển giao và quản lý các dịch vụ mạng. Cisco IOS QoS là tập các mở rộng cung cấp chất lượng dịch vụ đầu cuối qua các mạng không đồng nhất. Các ISP có thể cung cấp chất lượng dịch vụ qua mạng của họ và tính cước khách hàng theo mức sử dụng. Những dịch vụ QoS của hệ điều hành liên mạng Cisco có thể xử lý tắc nghẽn; ưu tiên cho lưu thông có độ ưu tiên cao hơn; sắp xếp và phân loại các gói theo các mức dịch vụ hay lớp lưu thông; có khả năng qui định độ rộng của băng thông và tuân thủ các qui định đó; đo lưu thông trên mạng để thu cước phí và giám sát năng suất hoạt động trên mạng; cấp phát tài nguyên dựa trên cổng vật lý, địa chỉ, hoặc những ứng dụng. Một đặc điểm quan trọng khác của những dịch vụ nầy là chúng hỗ trợ cho những mạng được xây dựng với những đồ hình khác nhau (như bộ định tuyến, frame relay, ATM và chuyển thẻ (tag switching)) nhằm phối hợp trong việc cung cấp QoS cho tất cả người dùng. Các dịch vụ này có những đặc điểm sau: Quyền ưu tiên IP (IP Precedence) dùng để chia lưu thông thành sáu lớp dịch vụ. Vì vậy việc xử lý tắc nghẽn và cấp phát băng thông được điều khiển ở mỗi lớp dựa trên các danh sách điều khiển truy nhập mở rộng ACL (extended access control list). Quyền ưu tiên này có thể được thiết lập bởi khách hàng hoặc bởi các chính sách đã được xác định. Những ứng dụng của khách hàng thiết lập loại dịch vụ trong các gói bằng cách thay đổi các bit trong trường loại dịch vụ (Type of Service field) của tiêu đề IP. Trong các môi trường không thuần nhất nơi mà mạng có các kỹ thuật khác nhau (frame relay, ATM, chuyển thẻ), quyền ưu tiên có thể được chuyển vào khung hoặc vào đơn vị truyền (cell) để cung cấp chất lượng dịch vụ QoS. Vì vậy, quyền ưu tiên có thể được thiết lập không cần có tín hiệu từ bên ngoài hoặc không cần những thay đổi quan trọng đối với các ứng dụng. Mức độ truy nhập được qui định CAR (Committed Access Rate). Những người quản trị mạng sử dụng CAR để xác lập những qui định và giới hạn về băng thông và để xử lý lưu thông vượt quá độ rộng của đường truyền đã xác lập. Giới hạn của CAR được áp dụng dựa trên địa chỉ IP, cổng hoặc các luồng ứng dụng. Sự chuyển đổi luồng mạng (Netflow Switching) làm tăng hiệu quả của các hoạt động trên mạng bằng cách dò tìm gói đầu tiên trong một “luồng” và bắt lấy thông tin cần thiết cho việc gởi gói này qua mạng. Những gói gửi sau dựa vào những thông tin trên vùng đệm (cache) sẽ làm giảm quá trình xử lý các gói. Luồng mạng cũng thu thập dữ liệu về các luồng để thanh toán cước phí và cung cấp bảo mật. Sự phát hiện trước ngẫu nhiên RED (Random Early Detection) cho phép những người điều khiển mạng quản lý lưu thông trong suốt những khoảng thời gian tắc nghẽn dựa trên các chính sách. RED sử dụng giao thức TCP để làm giảm lưu lượng trên mạng sao cho thích hợp với băng thông đang được sử dụng. WRED (RED có độ đo) đi với quyền ưu tiên IP để xử lý lưu thông ưu tiên cho những gói có độ ưu tiên cao hơn. Việc xếp hàng theo trọng số WFQ (Weighted Fair Queueing) sẽ cung cấp một phương pháp để xử lý việc ảnh hưởng bởi sự chậm trễ (delay sensitive), xử lý lưu thông có độ ưu tiên cao trong một lối đi nhanh trong khi chia sẻ một cách công bằng phần băng thông còn lại giữa những lưu thông có độ ưu tiên thấp hơn. Ứng dụng có thể yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS xác định thông qua giao thức dành riêng tài nguyên RSVP (Resource Reservation Protocol). Sau đó những dịch vụ QoS của Cisco tiếp nhận những yêu cầu đó và chuyển chúng vào những gói có độ ưu tiên cao (những gói được đưa qua trục chính của nhà cung cấp dịch vụ Internet đến bộ định tuyến ở đầu xa). Ở đó, chúng được chuyển trở lại thành những tín hiệu RSVP. Theo Cisco, phương pháp nầy giữ được lợi ích của RSVP và tránh được sự lạm dụng nó trên các mạng chính. Nói chung, dịch vụ QoS của Cisco cung câ