Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng Dịch vụ trong mạng IP

.TS Nguyễn Gia Hiểu, Viện Công Nghệ Thông Tin, ngƣời đã định hƣớng đề tài và tận tình hƣớng dẫn chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn cao học. Tôi xin đƣợc cảm ơn tới các Thầy cô trong Viện Công Nghệ Thông Tin và Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại học Thái Nguyên đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt 2 năm học Cao học. Cuối cùng tôi xin dành một tình cảm biết ơn tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã luôn luôn ở bên cạnh tôi, động viên, chia sẻ cùng tôi trong suốt thời gian học Cao học cũng nhƣ quá trình thực hiện luận văn này. Thái Nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2009 Học viên: Nguyễn Tƣ Khoa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ của Thầy hƣớng dẫn và những ngƣời tôi đã cám ơn. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào. Thái Nguyên, ngày 04 tháng 11 năm 2009 Học viên: Nguyễn Tƣ Khoa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ 1 LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. 2 MỤC LỤC ............................................................................................................................. 3 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................... 6 DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................................... 9 ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................................... 12 CHƢƠNG I: ........................................................................................................................ 13 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG ........................................ 13 Nhập đề: .......................................................................................................................... 13 1.1 Khái niệm về chất lƣợng dịch vụ ............................................................................... 14 1.2 Các thông số QoS ....................................................................................................... 15 1.2.1 Băng thông .......................................................................................................... 16 1.2.2 Trễ ....................................................................................................................... 16 1.2.3 Jitter (Biến động trễ) ........................................................................................... 17 1.2.4 Mất gói ............................................................................................................... 18 1.2.5 Tính sẵn sàng (Độ tin cậy) ................................................................................... 19 1.2.6 Bảo mật .............................................................................................................. 19 1.3 Yêu cầu QoS đối với các dịch vụ khác nhau ............................................................... 20 1.3.1 Ứng dụng E-mail, FTP ........................................................................................ 20 1.3.2 Ứng dụng Streaming, âm thanh hình ảnh lưu trước.............................................. 21 1.3.3 Ứng dụng Streaming cho âm thanh, hình ảnh sống .............................................. 22 1.3.4 Ứng dụng Hình ảnh âm thanh tương tác thời gian thực ....................................... 22 1.3.5 Ví dụ về điện thoại VOIP: .................................................................................... 23 1.3.6 Các lớp dịch vụ .................................................................................................... 30 1.4 Một số kỹ thuật hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ .................................................................. 32 Kết luận chƣơng ............................................................................................................... 34 CHƢƠNG II: ....................................................................................................................... 35 CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ .................................................. 35 Nhập đề: .......................................................................................................................... 35 2.1 Kỹ thuật đo lƣu lƣợng và mầu hóa lƣu lƣợng .............................................................. 35 2.1.1 Đánh dấu ba mầu tốc độ đơn ............................................................................... 35 2.1.2 Đánh dấu ba mầu hai tốc độ ................................................................................ 37 2.2 Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực ............................................................................. 39 2.2.1 Kỹ thuật loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm RED .......................................................... 39 2.2.2 Kỹ thuật loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED .................................................... 40 2.2.3 Thông báo tắc nghẽn hiện ECN .......................................................................... 40 2.3 Lập lịch gói ................................................................................................................ 41 2.3.1 FIFO ................................................................................................................... 42 2.3.2 Hàng đợi ưu tiên PQ ............................................................................................ 42 2.3.3 Hàng đợi công bằng FQ ...................................................................................... 43 2.3.4 Vòng quay trọng số Robin (WRR) ........................................................................ 44 2.3.5 Hàng đợi công bằng có trọng số WFQ ................................................................. 45 2.3.6 Hàng đợi công bằng có trọng số dựa trên cơ sở lớp (CB WFQ) ........................... 47 2.4 Trafic Shaping ............................................................................................................ 48 2.4.1 Bộ định dạng lưu lượng thường ........................................................................... 48 2.4.2 Bộ định dạng lưu lượng gáo rò ............................................................................ 49 Kết luận chƣơng ............................................................................................................... 51 CHƢƠNG 3: ........................................................................................................................ 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP ................................................................... 52 Nhập đề: .......................................................................................................................... 52 3.1 Các dịch vụ tích hợp ................................................................................................... 52 3.2 Giao thức dành riêng tài nguyên (RSVP) .................................................................... 52 3.2.1 Tổng quan về RSVP ............................................................................................. 52 3.2.2 Hoạt động của RSVP ........................................................................................... 53 3.2.3 Các kiểu RSVP dành riêng ................................................................................... 53 3.2.4 Các ví dụ về IntSer .............................................................................................. 54 3.2 Các dịch vụ phân biệt ................................................................................................. 57 3.2.1 Tổng quan DiffServ .............................................................................................. 57 3.2.2 Cấu trúc DiffServ ................................................................................................. 58 3.2.3 Cư sử từng chặng (PHB) ..................................................................................... 63 3.2.4 Ví dụ về Differentiated Services ........................................................................... 66 Kết luận chƣơng ............................................................................................................... 68 CHƢƠNG IV:...................................................................................................................... 69 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG ATM .............................................................. 69 Nhập đề: .......................................................................................................................... 69 4.1 Nền tảng về ATM ....................................................................................................... 69 4.1.1 Nguồn gốc của ATM ............................................................................................ 69 4.1.2 Giao diện mạng ATM........................................................................................... 69 4.2 Giao thức ATM .......................................................................................................... 70 4.2.1 Lớp tế bào ATM....................................................................................................... 71 4.2.2 Lớp tương thích ATM........................................................................................... 72 4.3 Các kết nối ảo ATM ................................................................................................... 72 4.3.1 Kênh ảo và đường ảo ........................................................................................... 72 4.3.2 Liên kết ảo ........................................................................................................... 73 4.3.3 Kết nối ảo (Virtual Connection) ........................................................................... 75 4.3.4 Kết nối chuyển mạch ảo (SVC) ............................................................................ 76 4.4 Các loại dịch vụ ATM ................................................................................................ 77 4.4.1 Các loại dịch vụ ATM .......................................................................................... 77 4.4.2 Miêu tả lưu lượng ................................................................................................ 78 4.4.3 Các kiểu AAL ....................................................................................................... 79 Kết luận chƣơng: .............................................................................................................. 80 CHƢƠNG 5: ........................................................................................................................ 81 QOS TRONG GIAO THỨC CHUYỂN MẠCH NHÃN MPLS ............................................ 81 Đặt vấn đề: ....................................................................................................................... 81 5.1 Cơ sở lý thuyết của MPLS .............................................................................................. 81 5.1.1 Sự chuyển tiếp gói IP thông thường ......................................................................... 81 5.1.2 Các cải tiến của MPLS ........................................................................................ 82 5.1.3 Kiến trúc MPLS ................................................................................................... 83 5.2 Mã hóa nhãn ............................................................................................................... 83 5.2.1 MPLS shim header .............................................................................................. 83 5.2.2 Mã hóa nhãn qua mạng ATM............................................................................... 84 5.3 Hoạt động của MPLS ................................................................................................. 85 5.3.1 Ánh xạ nhãn......................................................................................................... 85 5.3.2 Một ví dụ về các đường hầm phân cấp MPLS ...................................................... 87 5.4 MPLS hỗ trợ DiffServ ................................................................................................ 88 5.4.1 E-LSP .................................................................................................................. 88 5.4.2 L-LSP .................................................................................................................. 90 Kết luận chƣơng ............................................................................................................... 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN ............................................. 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 93 PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ARED Adapted Random Early Detection Tìm kiếm sớm ngẫu nhiên thích ứng ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giai địa chỉ ARPA Advance Research Projects Agency Trung tâm nghiên cứu cấp cao ATM Assyschronous Tranfer Mode Chế độ truyền bất đồng bộ AF Assured Forwarding Chuyển tiếp đảm bảo BB Bandwidth Brokering Thu hồi băng thông BGP Border Gateway Protocol Giao thức định tuyến ngòai CBQ Class Base Queuing Hàng đợi cơ sở lớp CBR Contant Bitrate Rate tốc độ bit cố định CL Controlled Load Tải điều khiển CPU Center Processor Unit Khối xử lí trung tâm CQS Classify Queue Shedule Lập lịch hàng đợi phân loại CAC Call Adminission Contron Điều khiến xác nhận cuộc gọi CE Congestion Experience Nghẽn trải qua DFF Drop from Front Loại bỏ phía trƣớc DiffServ Differentiated Service Dịch vụ khác biệt DNS Domain Name System Hệ thống tên miền DOD Deparment of Defense thuộc bộ quốc phòng Mĩ DRR Deficit Round Robin DSCP Difserv Code-Point Điểm mã dịch vụ khác biệt ECN Explicit congestion notification Thông báo nghẽn cụ thể EF Expedited Forwarding Chuyển tiếp ngay FBI Forwarding information base Khối chuyển tiếp FIFO First in first out Hàng đợi theo nguyên tắc vào trƣớc ra trƣớc FRED Flow Random Early Detection Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm theo luồng FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 GS Guaranteed Service Dịch vụ đảm bảo vụ HL Header length Độ dài tiêu đề ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức tín hiệu điều khiển Internet IHL Identifed Header Length Trƣờng xác nhận độ dài tiêu đề Intserv Intergrated Service Dịch vụ tích hợp IP Internet Protocol Giao thức Internet LSP Label-switching Paths Đƣờng dẫn chuyển mạch nhãn MF Multi field Đa trƣờng MPLS Multi protocol lable Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTU Maximum Transfer Unit Đơn vị truyền tối đa NGN Next Generation Network Mạng thế hệ kế tiếp OSI Open Systems Interconection Mô hình tham chiếu “liên kết hệ thống mở” OSPF Open Sortest Path First Đƣờng dẫn đầu tiên ngắn nhất mở PHB Per-Hop Behavior Cƣ sử từng chặng PNNI Private network Node Interface Giao diện node mạng riêng PQ Priority Queue Hàng đợi ƣu tiên QoS Quality of service Chất lƣợng dịch vụ RAP Resource Allocation Protocol Giao thức phân phát tài nguyên RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ngƣợc RED Random Early Detection Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm RIO RED With IN/ OUT Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm theo vào ra RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành trƣớc tài nguyên SDH Synchronous Digital Hiearachy Phân cấp số đồng bộ SLA Service level agreement Thỏa thuận mức dịch vụ SMTP Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền thƣ điện tử đơn giản TCP Tranmission Control Protocol Gíao thức điều khiển truyền dẫn Telnet Terminal NETwork Mạng đầu cuối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 TL Total length Độ dài tổng TOS Type Of Service Loại dịch vụ TTL Time-to-live Thời gian sống UDP User Datagram protocol Giao thức ngƣời sử dụng VCI Virtual circuit Identify Nhận biết kênh ảo VPI Virtual Path Identify Nhận biết đƣờng ảo VPN IP virtual private Network IP virtual private Network WRED Weight Random Early Detection Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm theo trọng số WRED Weighted Random Early Detection Tìm kiếm sớm ngẫu nhiên theo trọng số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình Nội dung Hình 1.1 Băng thông, trễ Hình 1.2 FTP truyền file giữa các hệ thống Hình 1.3 Phân loại các kỹ thuật sửa đổi dữ liệu phía ngƣời gửi Hình 1.4 Sửa đổi dữ liệu sử dụng FEC Hình 1.5 Sửa chữa sử dụng FEC phụ thuộc môi trƣờng Hình 1.6 Các khối đƣợc đan xen trong nhiều gói Hình 1.7 Phân loại các kỹ thuật che dấu lỗi Hình 2.1 Khoản thời gian đo CBS và CIR Hình 2.2(a) Gáo C và gáo E ở chế độ mù mầu Hình 2.2(b) srTCM ở chế độ mù mầu Hình 2.3 srTCM ở chế độ rõ mầu Hình 2.4(a) Gáo rò C và P trong trTCM Hình 2.4(b) trTCM ở chế độ mù mầu Hình 2.5 Chế độ rõ mầu với trTCM Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED Hình 2.7 Hồ sơ RED Hình 2.8 Khái niệm ECN Hình 2.9 Biểu đồ khái niệm của lập lịch gói Hình 2.10 FIFO Hình 2.11 Hàng đợi ƣu tiên PQ Hình 2.12 Ảnh hƣởng của kích thƣớc gói với phân bổ băng thông Hình 2.13 WRR Hình 2.14 Vòng quay Robin trọng số theo từng bit Hình 2.15 WFQ Hình 2.16 CB WFQ Hình 2.17 Bộ định dạng lƣu lƣợng thƣờng Hình 2.18 Gáo rò token traffic shaper Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 Hình 3.1 Hoạt động của RSVP Hình 3.2 Các kiểu dàng riêng RSVP Hình 3.3 Các ống chia sẻ đƣợc dành riêng Hình 3.4 Ví dụ 1 về RSVP trong IntServ Hình 3.5 Ví dụ 2 về RSVP trong IntServ Hình 3.6 Ví dụ về RSVP Style Hình 3.7 Dành riêng Wildcard filter Hình 3.8 Dành riêng Fixed filter Hình 3.9 Dành riêng Shared-explicit Hình 3.10 Các bƣớc của DiffServ Hình 3.11 Miền IP Hình 3.12 Một miền DS và các mạng con Hình 3.13 Miền DiffServ Hình 3.14 Vùng DS Hình 3.15 IPv4 Header 24 byte Hình 3.16 Các trƣờng TOS trong Ipv4 header Hình 3.17 IPv6 Header 48 byte Hình 3.18 Trƣờng DS Hình 3.19 Ví dụ về cài đặt EF Hình 3.20 Một ví dụ cài đặt AF Hình 3.21 Ví dụ về DiffServ Hình 4.1 Các giao tiếp ATM Hình 4.2 Xếp chồng giao thức ATM Hình 4.3 Cấu trúc tế bào ATM Hình 4.4 Tế bào ATM cắt và lắp ghép Hình 4.5 Kết nối kênh ảo Hình 4.6 Biên dịch VPI/VCI Hình 4.7 Liên kết đƣờng ảo (VPL) Hình 4.8 Quan hệ giữa VCL và VPL Hình 4.9 Kết nối đƣờng ảo (VPC) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 Hình 4.10 Kết nối kênh ảo (VCC) trong một VPL Hình 4.11 VCC đƣợc tạo từ các VCL của các VPL khác nhau Hình 4.12 SVCC Hình 5.1 Chức năng định tuyến IP chuẩn Hình 5.2 Kiến trúc của MPLS Hình 5.3 Đầu mào MPLS Hình 5.4 Xếp chồng nhãn độ sâu m Hình 5.5 MPLS LSP sử dụng ATM SVC Hình 5.6 MPLS LSP sử dụng ATM SVP Hình 5.7 MPLS LSP sử dụng ATM SVP mã hóa đa điểm Hình 5.8 Ánh xạ nhãn vào Hình 5.9 Ánh xạ FTN Hình 5.10 Trao đổi nhãn Hình 5.11 Đẩy nhãn Hình 5.12 Một ví dụ về LSP phân cấp Hình 5.13 Ánh xạ giữa DiffServ PBH với các bit MPLS EXP Hình 5.14 E-LSP Hình 5.15 L-LSP Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong xu hƣớng phát triển bùng nổ thông tin ngày này, các nhu cầu về thông tin liên lạc ngày càng mở rộng. Nó đi đôi với nhu cầu đòi hỏi cao về chất lƣợng dịch vụ. Đối với nhà khai thác mạng nâng cao chất lƣợng dịch vụ đồng nghĩa với khả năng tăng khả năng cạnh tranh. Đó là điều tất yếu mà một nhà khai thác phải làm tốt để tồn tại. Việt Nam đƣợc đánh giá là một quốc gia có nhu cầu về thông tin lớn. Hệ thống viễn thông mạng Việt Nam rất đa rạng, phong phú, trong đó công nghệ mạng trên nền chuyển mạch gói là rất phổ biến. Song song với việc cung cấp nhiều loại hình dịch vụ mục tiêu nâng cao chất lƣợng dịch vụ đang là một vấn đề trọng tâm của các nhà cung cấp đặt ra. Mạng hiện thời đang tồn tại ở Việt Nam so với một số nƣớc trong khu vực còn chƣa thật sự ổn định, vẫn còn nhiều hiện tƣợng nghẽn mạng hay tốc độ truy cập mạng còn thấp. Ngoài biên pháp cải thiện băng thông (rất tốn kém), chƣa thể đáp ứng ngay thì chúng ta cần phải cải thiện chất lƣợng dịch vụ theo một số hƣớng khác. Bản luận văn này tìm hiểu về QoS trong mạng IP và một số giải pháp nâng cao QoS phổ biến đang đƣợc áp dụng. Đƣợc sự hƣớng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Gia Hiểu, bản luận văn với đề tài “Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP” đã đề cập đến những vấn đề cơ bản về chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP. Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu bản luận văn đã hoàn thành với những nội dung chính sau đây: Chƣơng 1: Chất lƣợng dịch vụ trong mạng Viễn thông. Chƣơng 2: Các kỹ thuật đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP. Chƣơng 3: Chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP. Chƣơng 4: Chất lƣợng dịch vụ trong mạng ATM. Chƣơng 5: QOS trong giao thức chuyển mạch nhãn MPLS. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 CHƢƠNG I: CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG Nhập đề: Trong những năm gần đây, tầm quan trọng của các công nghệ về chất lƣợng dịch vụ (QoS) đối với các mạng truyền thông đã tăng lên đáng kể, đặc biệt là trong các mạng chuyển mạch gói. Trƣớc đây, các mạng ra đời với một mục đích là chuyền tải một loại thông tin nhất định. Mạng điện thoại đã ra đời dựa trên một phát minh của Bell vài trăm năm trƣớc đây, đã đƣợc thiết kế để truyền tải âm thanh. Còn mạng IP thì khác, nó ra đời với mục đích truyền tải dữ liệu. Đối với mạng điện thoại, khi thiết lập một cuộc gọi mạng sẽ phải dành riêng một kênh kết nối trong suốt quá trình hội thoại. Khi cuộc gọi kết thúc, các kênh này sẽ đƣợc tiếp tục sử dụng cho một cuộc gói khác. Có thể đƣa ra hai phép đo chính đối với chất lƣợng dịch vụ trong mạng điện thoại, thứ nhất là tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công và thứ hai là chất lƣợng các cuộc gọi, những vấn đề này sẽ chịu ảnh hƣởng bởi dung lƣợng truyền dẫn trung kế của mạng và các vấn đề nhƣ lỗi đƣờng truyền hay nhiễn mạch. Với đặc tính nhƣ vậy, mạng điện thoại đã đƣợc thiết kế với hai vấn đề chính, thứ nhất là làm sao để cung cấp đủ các mạch trung kế phục vụ cho nhiều cuộc gọi đồng thời qua đó năng cao tỷ lệ kết nối thành công. Thứ hai là phải tối ƣu mạng để giảm tối đa những vấn đề nhƣ suy hao, nhiễu, vọng và trễ. Thoại là một loại dịch vụ thời gian thực và nó không cần hàng đợi để lƣu trữ tín hiệu âm thanh. Mạng IP ra đời có rất nhiều điểm khác so với mạng điện thoại. Thứ nhất mạng IP đƣợc thiết kế để truyền tải dữ liệu. Thứ hai các dịch vụ truyền dữ liệu đa phần là các dịch vụ không thời gian thực, dữ liệu có thể đƣợc lƣu lại trong mạng và truyền đi sau, khi dữ liệu truyền đi bị lỗi nó có thể đƣợc truyền lại. Các dịch vụ truyền dữ liệu còn đƣợc gọi là dịch vụ “lƣu và chuyển tiếp”. Mô hình hoạt động của mạng IP nhƣ vậy sẽ đƣợc gọi là best-effort. Việc thiết kế các mạng khác nhau sẽ tạo ra những vấn đề nhƣ kinh phí đầu tƣ hạ tầng sẽ lớn, khi kết nối các mạng với nhau sẽ trở nên phức tạp. Vào giữa những năm 90 các nhà thiết kế mạng đã đƣa ra một ý tƣởng là tạo ra một mạng duy nhất dựa trên chuyển mạch gói để truyền tải cả âm thanh và dữ liệu. Và mạng này thƣờng đƣợc gọi mà mạng thế hệ mới Next-Generation-Network. Mạng này đƣợc thiết kế chủ yế dựa trên nền mạng IP, nhƣng những nhƣợc điểm của mô hình best-effort của mạng IP không phù hợp với các loại dịch vụ âm thanh, hình ảnh, đa phƣơng tiện cần thời gian thực. Để khắc phục những hạn chế này, các mô hình chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP đã phát triển và đóng một vai trò then chốt trong vấn đề phát triển mở rộng của mạng cũng nhƣ khả năng cung cấp các loại dịch vụ khác nhau trên cùng một hạ tầng mạng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 Những nghiên cứu dƣới đây sẽ đi vào những vấn đề mà mạng IP cần quan tâm đề đảm bảo chất lƣợng dịch vụ. 1.1 Khái niệm về chất lƣợng dịch vụ Chất lƣợng dịch vụ là một vấn đề rất khó cho sự định nghĩa chính xác, bởi vì nhìn từ góc độ khác nhau ta có quan điểm về chất lƣợng dịch vụ khác nhau. Ví dụ nhƣ với ngƣời sử dụng dịch vụ thoại chất lƣợng dịch vụ cung cấp tốt khi thoại đƣợc rõ ràng, tức là chúng ta phải đảm bảo tốt về giá trị tham số trễ, biến động trễ. Nhƣng giá trị tham số mất gói thông tin về một tỉ lệ tổn thất nào đó có thể chấp nhận đƣợc. Nhƣng giả dụ, đối với khách hàng là ngƣời sử dụng trong truyền số liệu ở ngân hàng thì điều tối quan trọng là độ tin cậy, họ có thể chấp nhận trễ lớn, độ biến động trễ lớn, nhƣng thông số mất gói, độ bảo mật kém thì họ không thể chấp nhận đƣợc .v.v.. Từ góc nhìn của nhà cung cấp dịch vụ mạng. Nhà cung cấp dịch vụ mạng đảm bảo QoS cung cấp cho ngƣời sử dụng, và thực hiện các biện pháp để duy trì mức QoS khi điều kiện mạng bị thay đổi vì các nguyên nhân nhƣ nghẽn, hỏng hóc thiết bị hay lỗi liên kết, v..v. QoS cần đƣợc cung cấp cho mỗi ứng. Chất lƣợng dịch vụ chỉ có thể đƣợc xác định bởi ngƣời sử dụng, vì chỉ ngƣời sử dụng mới có thể biết đƣợc chính xác ứng dụng của mình cần gì để hoạt động tốt. Tuy nhiên, không phải ngƣời sử dụng tự động biết đƣợc mạng cần phải cung cấp những gì cần thiết cho ứng dụng, họ phải tìm hiểu các thông tin cung cấp từ ngƣời quản trị mạng và chắc chắn rằng, mạng không thể tự động đặt ra QoS cần thiết cho một ứng dụng của ngƣời sử dụng. Để giải quyết vấn đề đó nhà cung cấp và khách hàng họ lập ra một bản cam kết, trong đó nhà cung cấp phải thực hiện đầy đủ cung cấp các thông số thoả mãn chi tiết bản cam kết đặt ra. Còn phía đối tác cũng phải thực hiện đầy đủ điều khoản của mình. Nếu một mạng đƣợc tối ƣu hoàn toàn cho một loại dịch vụ, thì ngƣời sử dụng ít phải xác định chi tiết các thông số QoS. Ví dụ, với mạng PSTN, đƣợc tối ƣu cho thoại, không cần phải xác định băng thông hay trễ cần cho một cuộc gọi. Tất cả các cuộc gọi đều đƣợc đảm bảo QoS nhƣ đã đƣợc quy định trong các chuẩn liên quan cho điện thoại. Nếu nhìn từ góc độ mạng thì bất cứ một mạng nào cũng bao gồm: - Hosts (chẳng hạn nhƣ: Servers, PC…). - Các bộ định tuyến và các thiết bị chuyển mạch. - Đƣờng truyền dẫn. Nếu nhìn từ khía cạnh thƣơng mại: - Băng thông, độ trễ, jitter, mất gói, tính sẵn sàng và bảo mật đều đƣợc coi là tài nguyên của mạng. Do đó với ngƣời dùng cụ thể phải đƣợc đảm bảo sử dụng các tài nguyên một cách nhiều nhất. - QoS là một cách quản lý tài nguyên tiên tiến của mạng để đảm bảo có một chính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 sách ứng dụng đảm bảo. Vậy sự định nghĩa chính xác QoS là rất khó khăn nhƣng ta có thể hiểu chúng gần nhƣ là khả năng cung cấp dịch vụ (ở lớp phần tử mạng, vvv...) đƣa ra cho khách hàng thông qua những yêu cầu chính xác (trên khả năng thực tế hay lý thuyết) có thể đáp ứng dựa trên bản hợp đồng về thoả thuận lƣu lƣợng. Sự định nghĩa khuôn dạng của nó kết thành chất lƣợng dịch vụ của lớp mạng do sự phân phát chất lƣợng dịch vụ của peer-to-peer (ngang hàng) edge-to-edge (biên tới biên) hay end-to-end (đầu cuối tới đầu cuối). Lẽ tự nhiên những yêu cầu này có thể thay đổi từ phía ứng dụng cho ứng dụng hay từ phân phối dịch vụ. Vậy trong tất cả những điều đã nêu về cấp QoS, đảm bảo chất lƣợng và Service Level Agreement SLA thỏa thuận mức độ dịch vụ, để thoả mãn ta phải làm nhƣ thế nào? Vấn đề là bản chất định hƣớng IP là một mạng nỗ lực tối đa do đó “không tin cậy" khi yêu cầu nó đảm bảo về QoS. Cách tiếp cận gần nhất để các nhà cung cấp dịch vụ IP có thể đạt tới đảm bảo QoS hay SLA giữa khách hàng và ISP là với dịch vụ mạng IP đƣợc quản lý. Thuật ngữ đƣợc quản lý ở đây là bất cứ cái gì mà nhà cung cấp dịch vụ quản lý thay mặt cho khách hàng , điều đó cũng làm nâng cao đƣợc chất lƣợng dịch vụ. 1.2 Các thông số QoS Phần này sẽ giới thiệu qua về các thông số của QoS. Sáu thông số chung về chất lƣợng dịch vụ: - Băng thông. - Độ trễ (delay). - Jitter (biến động trễ). - Mất gói. - Tính sẵn sàng (tin cậy). - Bảo mật. Các giá trị ví dụ, đƣợc liệt kê trong Bảng 1.1. Bảng 1.1: Sáu thông số của QoS Thông số QoS Các giá trị ví dụ Băng thông (nhỏ nhất) 64 kb/s, 1.5 Mb/s, 45 Mb/s Trễ (lớn nhất) 50 ms trễ vòng, 150 ms trễ vòng Jitter (biến động trễ) 10% của trễ lớn nhất, 5 ms biến động Mất thông tin (ảnh hƣởng của lỗi) 1 trong 1000 gói chƣa chuyển giao Tính sẵn sàng (tin cậy) 99.99% Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 Bảo mật Mã hoá và nhận thực trên tất cả các luồng lƣu lƣợng 1.2.1 Băng thông Băng thông là một thông số quan trọng nhất, nếu chúng ta có băng thông dùng rộng rãi thì mọi vấn đề coi nhƣ không cần phải quan tâm đến, nhƣ nghẽn, kỹ thuật lập lịch, phân loại, trễ….tuy nhiên điều này là không thể xẩy ra. Băng thông chỉ đơn giản là thƣớc đo số lƣợng bit trên giây mà mạng sẵn sàng cung cấp cho các ứng dụng. Các ứng dụng bùng nổ (bursty) trên mạng chuyển mạch gói có thể chiếm tất cả băng thông của mạng nếu không có ứng dụng nào khác cùng bùng nổ với nó. Khi điều này xảy ra,._. các bùng nổ phải đƣợc đệm lại và xếp hàng chờ truyền đi, do đó tạo ra trễ trên mạng. Để giải quyết sự hạn chế băng thông này mà nhiều giải pháp tiết kiệm, hay khắc phục băng thông đƣợc đƣa ra. Khi đƣợc sử dụng nhƣ là một thông số QoS, băng thông là yếu tố tối thiểu mà một ứng dụng cần để hoạt động. Ví dụ, thoại PCM 64 kb/s cần băng thông là 64 kb/s. Điều này không tạo ra khác biệt khi mạng xƣơng sống có kết nối 45 Mb/s giữa các nút mạng lớn. Băng thông cần thiết đƣợc xác định bởi băng thông nhỏ nhất sẵn có trên mạng. Nếu truy nhập mạng thông qua một MODEM V.34 hỗ trợ chỉ 33.6 kb/s, thì mạng xƣơng sống 45 Mb/s sẽ làm cho ứng dụng thoại 64 kb/s không hoạt động đƣợc. Băng thông QoS nhỏ nhất phải sẵn sàng tại tất cả các điểm giữa các ngƣời sử dụng. Các ứng dụng dữ liệu đƣợc lợi nhất từ việc đạt đƣợc băng thông cao hơn. Điều này đƣợc gọi là các “ứng dụng giới hạn băng thông”, bởi vì hiệu quả của ứng dụng dữ liệu trực tiếp liên quan tới lƣợng nhỏ nhất của băng thông sẵn sàng trên mạng. Mặt khác, các ứng dụng thoại nhƣ thoại PCM 64 kb/s đƣợc gọi là các “ứng dụng giới hạn trễ”. Thoại PCM 64 kb/s này sẽ không hoạt động tốt hơn chút nào nếu có băng thông 128 kb/s. Loại thoại này phụ thuộc hoàn toàn vào thông số QoS trễ của mạng để có thể hoạt động đúng đắn. 1.2.2 Trễ Trễ liên quan chặt chẽ với băng thông khi nó là một thông số QoS. Với các ứng dụng giới hạn băng thông thì băng thông càng lớn trễ sẽ càng nhỏ. Đối với các ứng dụng giới hạn trễ, nhƣ là thoại PCM 64 kb/s, thông số QoS trễ xác định trễ lớn nhất các bit gặp phải khi truyền qua mạng. Tất nhiên là các bit có thể đến với độ trễ nhỏ hơn. Trễ đƣợc định nghĩa là khoảng thời gian chênh lệch giữa hai thời điểm của cùng một bít khi đi vào mạng (thời điểm bít đầu tiên vào với bít đầu tiên ra) . Với băng thông có nhiều cách tính, giá trị băng thông có thể thƣờng xuyên thay đổi. Nhƣng thông thƣờng giá trị băng thông đƣợc định nghĩa là số bit của một khung chia cho thời gian trôi qua kể từ khi bit đầu tiên rời khỏi mạng cho đến khi bit cuối cùng rời mạng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 n 6 5 4 3 2 1 1 1 Bít cuối cùng ra Bít đầu tiên ra Bít đầu tiên vào Bít đầu tiên ra X(bit) t2 t3 t2 t1 Hình (a) Hình (b) Hình 1.1 (a) băng thông , (b) trễ Mối quan hệ giữa băng thông và trễ trong mạng đƣợc chỉ ra trong hình 2.1. Trong phần (b), t2 – t1 = số giây trễ. Trong phần (a), X bit/ (t3 - t2) = bit/s băng thông. Nhiều băng thông hơn có nghĩa là nhiều bit đến hơn trong một đơn vị thời gian, trễ tổng thể nhỏ hơn. Đơn vị của mỗi thông số, bit/s với băng thông hay giây với trễ, cho thấy mối quan hệ hiển nhiên giữa băng thông và trễ. Các mạng chuyển mạch gói cung cấp cho các ứng dụng các băng thông biến đổi phụ thuộc vào hoạt động và bùng nổ của ứng dụng. Băng thông biến đổi này có nghĩa là trễ cũng có thể biến đổi trên mạng. Các nút mạng đƣợc nhóm với nhau cũng có thể đóng góp vào sự biến đổi của trễ. Tuy nhiên, thông số QoS trễ chỉ xác định trễ lớn nhất và không quan tâm tới bất kỳ giới hạn nhỏ hơn nào cho trễ của mạng. Nếu cần trễ ổn định, một thông số QoS khác phải quan tâm đến yêu cầu này. Một số nguyên nhân gây ra trễ trong mạng IP:  Trễ do quá trình truyền trên mạng.  Trễ do xử lý gói trên đƣờng truyền.  Trễ do xử lý hiện tƣợng jitter.  Trễ do việc xử lý sắp xếp lại gói đến (xử lý tại đích). 1.2.3 Jitter (Biến động trễ) Biến động trễ là sự khác biệt về độ trễ của các gói khác nhau trong cùng một dòng lƣu lƣợng. Biến động trễ có tần số cao đƣợc gọi là jitter với tần số thấp gọi là eander. Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tƣợng jitter do sự sai khác trong thời gian xếp hàng của các gói liên tiếp nhau trong một hàng gây ra.Trong mạng IP jitter ảnh hƣởng rất lớn tới chất lƣợng dịch vụ của tất cả các dịch vụ. Thông số QoS jitter thiết lập giới hạn lên giá trị biến đổi của trễ mà một ứng dụng có thể gặp trên mạng. Jitter không đặt một giới hạn nào cho giá trị tuyệt đối của trễ, nó có thể thể tƣơng đối thấp hoặc cao phụ thuộc vào giá trị của thông số trễ. Jitter theo lý thuyết có thể là một giá trị thông số QoS mạng tƣơng đối hay tuyệt đối. Ví dụ, nếu trễ mạng cho một ứng dụng đƣợc thiết lập là 100 ms, jitter có thể đặt là cộng hay trừ 10 phần trăm của giá trị này. Theo đó, nếu mạng có trễ trong khoảng 90 đến 110 ms thì vẫn đạt đƣợc yêu cầu về jitter (trong trƣờng hợp này, rõ ràng là trễ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 không phải là lớn nhất). Nếu trễ là 200 ms, thì 10 phần trăm giá trị jitter sẽ cho phép bất kỳ trễ nào trong khoảng 180 đến 220 ms. Mặt khác, jitter tuyệt đối giới hạn cộng trừ 5 ms sẽ giới hạn jitter trong các ví dụ trên trong khoảng từ 95 tới 105 ms và từ 195 tới 205 ms. Các ứng dụng nhạy cảm nhất đối với giới hạn của jitter là các ứng dụng thời gian thực nhƣ thoại hay video. Nhƣng đối với các trang Web hay với truyền tập tin qua mạng thì lại ít quan tâm hơn đến jitter. Internet, là gốc của mạng dữ liệu, có ít khuyến nghị về jitter. Các biến đổi của trễ tiếp tục là vấn đề gây bực mình nhất gặp phải đối với các ứng dụng video và thoại dựa trên Internet. 1.2.4 Mất gói Mất thông tin là một thông số QoS không đƣợc đề cập thƣờng xuyên nhƣ là băng thông và trễ, đặc biệt đối với mạng Internet. Đó bởi vì bản chất tự nhiên đƣợc thừa nhận của mạng Internet là "cố gắng tối đa". Nếu các gói IP không đến đƣợc đích thì Internet không hề bị đổ lỗi vì đã làm mất chúng. Điều này không có nghĩa là ứng dụng sẽ tất yếu bị lỗi, bởi vì đối với những dịch vụ khác nhau đều đặt ra giá trị ngƣỡng của riêng mình. Nếu các thông tin bị mất vẫn cần thiết đối với ứng dụng thì nó sẽ yêu cầu bên gửi gửi lại bản sao của thông tin bị mất. Bản thân mạng không quan tâm giúp đỡ vấn đề này, bởi vì bản sao của thông tin bị mất không đƣợc lƣu lại tại bất cứ nút nào của mạng. Thực ra Internet là mạng của các mạng và không có cơ chế giám sát đầy đủ nào đảm bảo chất lƣợng thông tin truyền. Hiện tƣợng mất gói tin là kết quả của rất nhiều nguyên nhân :  Quá tải lƣợng ngƣời truy nhập cùng lúc mà tài nguyên mạng còn hạn chế.  Hiện tƣợng xung đột trên mạng LAN.  Lỗi do các thiết bị vật lý và các liên kết truy nhập mạng. Cho một ví dụ nếu một kết nối bị hỏng, thì tất cả các bit đang truyền trên liên kết này sẽ không, và không thể, tới đƣợc đích. Nếu một nút mạng ví dụ nhƣ bộ định tuyến hỏng, thì tất cả các bit hiện đang ở trong bộ đệm và đang đƣợc xử lý bởi nút đó sẽ biến mất không để lại dấu vết. Do những loại hƣ hỏng này trên mạng có thể xảy ra bất cứ lúc nào, nên việc một vài thông tin bị mất do lỗi trên mạng là không thể tránh khỏi. Tác động của mất thông tin là tuỳ thuộc và ứng dụng. Điều khiển lỗi trên mạng là một quá trình gồm hai bƣớc, mà bƣớc đầu tiên là xác định lỗi. Bƣớc thứ hai là khắc phục lỗi, nó có thể đơn giản là bên gửi truyền lại đơn vị bị mất thông tin. Một vài ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng thời gian thực, không thể đạt hiệu quả khắc phục lỗi bằng cách gửi lại đơn vị tin bị lỗi. Các ứng dụng không phải thời gian thực thì thích hợp hơn đối với cách truyền lại thông tin bị lỗi, tuy nhiên cũng có một số ngoại lệ (ví dụ nhƣ các hệ thống quân sự tấn công mục tiêu trên không thể sử dụng hiệu quả với cách khắc phục lỗi bằng truyền lại). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Vì những lý do này, thông số QoS mất thông tin không những nên định rõ một giới hạn trên đối với ảnh hƣởng của lỗi mà còn nên cho phép ngƣời sử dụng xác định xem có lựa chọn cách sửa lỗi bằng truyền lại hay không. Tuy nhiên, hầu hết các mạng (đặc biệt là mạng IP) chỉ cung cấp phƣơng tiện vận chuyển thụ động, còn xác định lỗi, khắc phục lỗi thƣờng đƣợc để lại cho ứng dụng (hay ngƣời sử dụng). 1.2.5 Tính sẵn sàng (Độ tin cậy) Là tỉ lệ thời gian mạng hoạt động để cung cấp dịch vụ. Yếu tố này bất kỳ nhà cung cấp dịch vụ nào tối thiểu cũng phải có. Tổn thất khi mạng bị ngƣng trệ là rất lớn. Tuy nhiên, để đảm bảo đƣợc tính sẵn sàng chúng ta cần phải có một chiến lƣợc đúng đắn, ví dụ nhƣ: định kỳ tạm thời tách các thiết bị ra khỏi mạng để thực hiện các công việc bảo dƣỡng, trong trƣờng hợp mạng lỗi phải chuẩn đoán trong một khoảng thời gian ngắn nhất có thể để giảm thời gian ngừng hoạt động của mạng. Tất nhiên, thậm chí với một biệt pháp bảo dƣỡng hoàn hảo nhất cũng không thể tránh đƣợc các lỗi không thể tiên đoán trƣớc. Đối với mạng PSTN vì là mạng thoại nên điều này luôn luôn chiếm một vị trí quan trọng. Mạng đảm bảo hoạt động 24/24 trong ngày , tất cả những ngày lễ, kỉ niệm, khi nhu cầu lớn hay ngay cả khi nhu cầu giảm xuống rất thấp. Thông thƣờng tỉ lệ thời gian hoạt động là 99,999% hay 5,25‟/ năm. Mạng dữ liệu thực hiện công việc đó dễ hơn. Hầu hết mạng dữ liệu dành cho kinh doanh, và do đó hoạt động trong những giờ kinh doanh, thƣờng là từ 8 giờ sáng đến 5 giờ chiều, từ thứ Hai đến thứ Sáu. Hoạt động bổ trợ có thể thực hiện "ngoài giờ", và một tập kiểm tra đầy đủ với mục đích phát hiện ra các vấn đề có thể chạy trong ngày nghỉ. Internet và Web đã thay đổi tất cả. Mọi mạng toàn cầu phải giải quyết vấn đề rằng thực sự có một số ngƣời luôn cố gắng truy nhập vào mạng tại một số địa điểm. Và thậm chí Internet có thể thậm chí có ích ở nhà vào 10 giờ tối hơn là ở cơ quan vào 2 giờ chiều. Tuy nhiên, nếu ngƣời sử dụng nhận thức rõ rằng họ không thể có mạng nhƣ mong muốn trong tất cả thời gian Tuy nhiên thông số QoS khả dụng thƣờng đƣợc quy cho mỗi vị trí hoặc liên kết riêng lẻ. 1.2.6 Bảo mật Bảo mật là một thông số mới trong danh sách QoS, nhƣng lại là một thông số quan trọng. Thực tế, trong một số trƣờng hợp độ bảo mật có thể đƣợc xét ngay sau băng thông. Gần đây, do sự đe doạ rộng rãi của các hacker và sự lan tràn của virus trên mạng Internet toàn cầu đã làm cho bảo mật trở thành vấn đề hàng đầu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 Hầu hết vấn đề bảo mật liên quan tới các vấn đề nhƣ tính riêng tƣ, sự tin cẩn và xác nhận khách và chủ. Các vấn đề liên quan đến bảo mật thƣờng đƣợc gắn với một vài hình thức của phƣơng pháp mật mã, nhƣ mã hoá và giải mã. Các phƣơng pháp mật mã cũng đƣợc sử dụng trên mạng cho việc xác nhận (authentication), nhƣng những phƣơng pháp này thƣờng không liên quan chút nào đến vấn đề giải mã. Toàn bộ kiến trúc đều xuất phát từ việc bổ sung thêm tính riêng tƣ hoặc bí mật và sự xác nhận hoặc nhận thực cho mạng Internet. Giao thức bảo mật chính thức cho IP, gọi là IPSec, đang trở thành một kiến trúc cơ bản để cung cấp thƣơng mại điện tử trên Internet và ngăn ngừa gian lận trong môi trƣờng VoIP. Thật trớ trêu là mạng Internet công cộng toàn cầu, thƣờng xuyên bị coi là thiếu bảo mật nhất, đã đƣa vấn đề về bảo mật trở thành một phần của IP ngay từ khi bắt đầu. Một bit trong trƣờng loại dịch vụ (ToS) trong phần tiêu để gói IP đƣợc đặt riêng cho ứng dụng để có thể bắt buộc bảo mật khi chuyển mạch gói. Tuy nhiên lại nảy sinh một vấn đề là không có sự thống nhất giữa các nhà sản xuất bộ định tuyến khi sử dụng trƣờng ToS. Ngƣời sử dụng và ứng dụng có thể thêm phần bảo mật của riêng mình vào mạng, và trong thực tế, cách này đã đƣợc thực hiện trong nhiều năm. Nếu có chút nào bảo mật mạng, thì nó thƣờng dƣới dạng một mật khẩu truy nhập vào mạng. Các mạng ngày nay cần một cơ chế bảo mật gắn liền với nó, chứ không phải thêm vào một cách bừa bãi bởi các ứng dụng. Một thông số QoS bảo mật điển hình có thể là "mã hoá và nhận thực đòi hỏi trên tất cả các luồng lƣu lƣợng". Nếu có lựa chọn, thì truyền dữ liệu có thể chỉ cần mã hoá, và kết nối điện thoại Internet có thể chỉ cần nhận thực để ngăn gian lận. 1.3 Yêu cầu QoS đối với các dịch vụ khác nhau 1.3.1 Ứng dụng E-mail, FTP E-mail là một dịch vụ phổ biến nhất trên Internet trƣớc khi World Wide Web ra đời, nó đƣợc đƣa ra để ngƣời sử dụng trên mạng có thể trao đổi các thông báo cho nhau trên phạm vi thế giới. Bằng dịch vụ này, mọi ngƣời sử dụng máy tính kết nối với Internet đều có thể trao đổi thông tin với nhau. Đây là một dịch vụ mà hầu hết các mạng diên rộng đều cài đặt và cũng là dịch vụ cơ bản nhất của một mạng khi gia nhập Internet. Nhiều ngƣời sử dụng máy tính tham gia mạng chỉ dùng duy nhất dịch vụ này. Dịch vụ này sử dụng giao thức SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) trong họ giao thức TCP/IP. Một điểm mạnh của thƣ điện tử là nó là phƣơng thức trao đổi thông tin nhanh chóng và thuận tiện. Ngƣời sử dụng có thể trao đổi những bản tin ngắn hay dài chỉ bằng một phƣơng thức duy nhất. Rất nhiều ngƣời sử dụng thƣờng truyền tập tin thông qua thƣ điện tử chứ không phải bằng các chƣơng trình truyền tập tin thông thƣờng. Đặc điểm của dịch vụ thƣ điện tử là không tức thời (off-line) - tất cả các yêu cầu gửi đi không đòi hỏi phải đƣợc xử lý ngay lập tức. Khi ngƣời sử dụng gửi một bức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 thƣ, hệ thống sẽ chuyển thƣ này vào một vùng riêng (gọi là spool) cùng với các thông tin về ngƣời gửi, ngƣời nhận, địa chỉ máy nhận... Hệ thống sẽ chuyển thƣ đi bằng một chƣơng trình không đồng bộ (background). Chƣơng trình gửi thƣ này sẽ xác định địa chỉ IP máy cần gửi tới, tạo một liên kết với máy đó. Nếu liên kết thành công, chƣơng trình gửi thƣ sẽ chuyển thƣ tới vùng spool của máy nhận. Nếu không thể kết nối với máy nhận thì chƣơng trình gửi thƣ sẽ ghi lại những thƣ chƣa đƣợc chuyển và sau đó sẽ thử gửi lại một lần nó hoạt động. Khi chƣơng trình gửi thƣ thấy một thƣ không gửi đƣợc sau một thời gian quá lâu (ví dụ 3 ngày) thì nó sẽ trả lại bức thƣ này cho ngƣời gửi. Với cơ chế hoạt động nhƣ trên thì rõ ràng đối với dịch vụ E-mail không đòi hỏi yếu tố thời gian thực do vậy yêu cầu QoS đòi hỏi không quá lớn. Khi mạng xẩy ra tắc nghẽn các mail có thể ngừng chuyển đi mà có thể đợi khi mạng rỗi trở lại thì thực hiện truyền đi. Tuy nhiên một yêu cầu đối vơi E-mail đó là độ tin cậy, các gói gửi đi phải đảm bảo đến đích và nội dung cần phải chính xác hòan toàn. Do vậy đòi hỏi mạng không bị mất gói, hoặc khi có xẩy ra mất gói thì phải có cơ chế truyền lại an toàn do vậy E-mail sử dụng TCP. FTP (File Transfer Protocol) là giao thức truyền một file từ một host tới một host khác. Hình 1.2 diễn tả tổng quan về FTP User Giao tiếp ngƣời dùng FTP FTP Client ` FTP Server Server N ƣời dùng tại trạm File hệ thống local File hệ thống remote Truyền file Hình 1.2: FTP truyền file giữa các hệ thống Dịch vụ FTP có những yêu cầu giống với dịch vụ E-mail về chất lƣợng truyền dẫn, nó không đòi hỏi nhiều về độ trễ hay jitter, các file có thể đến đích nhanh khi có nhiều băng thông hay chậm khi băng thông bị hạn chế nhƣng quan trọng các gói nhận đƣợc phải đầy đủ và không có lỗi. FTP cũng sử dụng giao thức TCP để khi có mất gói hay lỗi gói thì có sự truyền lại. 1.3.2 Ứng dụng Streaming, âm thanh hình ảnh lưu trước Có rất nhiều ứng dụng khác nhau chạy trên nền mạng Internet nhƣ Streaming, Stored Audio và video. Trong các ứng dụng này, các client đƣa ra yêu cầu các file âm thanh hình ảnh nén đƣợc lƣu trữ trong máy chủ. Các file âm thanh đƣợc lƣu trƣớc có thể gồm thu thanh bài giảng của một giáo sƣ, một bài hát, một bản giao hƣởng, nội dung từ một kênh radio quảng bá, hoặc một đoạn ghi âm lịch sử. Các file video đƣợc lƣu trƣớc có thể gồm có các video về một bài giảng của giáo sƣ, đủ một bộ phim, các chƣơng trình tivi đã ghi lại từ trƣớc, phim tài liệu, các hình ảnh về các sự kiện lịch sử, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 các clip nhạc hình hay hoạt hình. Có ba đặc tính quan trọng để phân biệt các lớp ứng dụng này. Stored Media: các nội dung media đã đƣợc ghi trƣớc và đƣợc lƣu tại máy chủ. Do vậy, ngƣời dùng có thể tạm dừng, tua lại và tua nhanh cũng nhƣ chọn điểm xem của chƣơng trình. Thời gian từ khi một client đƣa ra yêu cầu đến khi hình ảnh hiện ra tại client vào khoảng 1 tới 10 giây là có thể chấp nhận đƣợc. Streaming: Trong hầy hết các ứng dụng âm thanh, hình ảnh một máy khách bắt đầu hiển thị các âm thanh hình ảnh sau khi nó nhận file từ máy chủ. Bằng cách này mà máy khách sẽ hiển thị đƣợc hình ảnh, âm thanh từ chỗ trong file trong khi nó vẫn nhận phần còn lại của file từ máy chủ. Kỹ thuật này gọi là streaming, để tránh việc phải dowload toàn bộ file (và phải chịu độ trễ lớn) trƣớc khi bắt đầu hiển thị ra. Có nhiều sản phẩm phần mền phục vụ cho streaming đa phƣơng tiện, gồm có RealPlayer của hãng RealNetwork vàWindows Media của Microsoft. Tuy nhiên cũng có các ứng dụng nhƣ Napster yêu cầu tòan bộ file phải đƣợc dowload trƣớc khi bắt đầu hiện thị. Continuous phayout: Khi bắt đầu hiển thị một hình ảnh, nên bắt đầu dựa vào định thời gốc của hình ảnh. Cách này tạo ra một độ trễ đáng kể cho việc phân phát dữ liệu. Dữ liệu phải đƣợc nhận từ máy chủ kịp thời cho việc hiển thị ở máy khách; ngƣợc lại thì mọi thứ trở nên vô nghĩa. Trễn end to end là bắt buộc đối với streaming, stored media thƣờng ít liên tục hơn so với các chƣơng trình trực tuyến, các ứng dụng tƣơng tác nhƣ là thoại trên internet và hội nghị truyền hình. 1.3.3 Ứng dụng Streaming cho âm thanh, hình ảnh sống Lớp ứng dụng này tƣơng tự nhƣ các chƣơng trình radio và tive quản bá cổ điển, ngoại trừ việc truyền dẫn là thông qua Internet. Các ứng dụng này cho phép một ngƣời dùng nhận live radio hoặc tivi truyền từ bất cứ nơi nào trên thế giới. Có thể xen trên Yahoo !Broadcast 2000 và Netradio 2000 trên Internet. Bởi vì streaming của âm thanh hình ảnh sống không đƣợc lƣu trƣớc, một máy khách không thể tua nhanh. Hơn nữa với phần dữ liệu đã đƣợc lƣu trong bộ nhớ của máy khách, thì các hành động tƣơng tác nhƣ là dừng và tua lại là có thể thực hiện ở một số ứng dụng. Các ứng dụng sống, quảng bá online thƣờng có nhiều máy khách nhận cùng một chƣơng trình. Việc phân bố ânh thanh/ hình ảnh tới nhiều nơi nhận có thể đạt đƣợc bằng kỹ thuật multicast. 1.3.4 Ứng dụng Hình ảnh âm thanh tương tác thời gian thực Lớp ứng dụng này cho phép ngƣời dùng sử dụng âm thanh hình ảnh để kết nối với ngƣời khác theo thời gian thực. Âm thanh tƣơng tác thời gian thực thƣờng đƣợc đề cập tới là điện thoại Internet, theo quan điểm từ phía ngƣời dùng, nó tƣơng đƣơng nhiƣ dịch vụ điện thoại chuyển mạch kênh cổ điển. Điện thoại internet có thể cung cấp bằng các tổng đài nội bộ PBX, dịch vụ điện thoại đƣờng dài với giá cả thấp. Nó cũng cung cấp cả dịch vụ tích hợp điện thoại máy tình, kết nối nhóm thời gian thực, các dịch vụ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 chuyển huớng, định danh ngƣời gọi, lọc ngƣời gọi và nhiều dịch vụ khác. Hiện nay đã có nhiều sản phẩn điện thoại Internet. Với các video tƣơng tác hay còn gọi là hội nghị truyền hình thì có sản phẩm NetMeeting của Microsoft. Chú ý rằng các ứng dụng âm thanh hình ảnh tƣơng tác, một user có thể nói hoặc di chuyển bắt cứ lúc nào. Với một cuộc hội thoại tƣơng tác giữa nhiều ngƣời, trễ từ lúc một ngƣời nói và di chuyển cho tới khi hành động đó đƣợc chuyển tới đầu nhận nên nhỏ hơn một vài trăm ms. Với âm thanh, độ trễ nhỏ hơn 150ms là không thể cảm nhận đƣợc đối với ngƣời nghe. Độ trễ từ 150ms tới 400ms là có thể chấp nhận đƣợc, và độ trễ lớn hơn 400ms là có thể dẫn đến cuộc hội thoại mà các bên không hiểu nhau nói gì. 1.3.5 Ví dụ về điện thoại VOIP: Tầng IP cung cấp các dịch vụ best-effort. Với best-effort các gói đƣợc truyền đi từ nguồn tới đích một cách nhanh nhất có thể. Hơn nữa, best-effort không đảm bảo bất cứ điều gì về độ trễ end to end của các gói, hay biến động trễ hay việc mất gói trong luồng dữ liệu. Các ứng dụng đa phƣơng tiện tƣơng tác thời gian thực, nhƣ là điện thoại internet và hội nghị truyền hình thời gian thực thƣờng rất nhẩy cảm với trễ gói, biến động trễ và mất gói. Chính vì vậy cần phải có các kỹ thuật để đảm bảo các ứng dụng âm thanh hình ảnh khi truyền qua mạng mà các giá trị về trễ, jitter và mất gói không vƣợt quá mức quy định. Chúng ta sẽ xem xét một kỹ thuật trong ngữ cảnh là ứng dụng điện thoại Internet và trong hội nghị truyền hình thời gian thực thì cũng tƣơng tự. Một ngƣời gọi điện trong ứng dụng VOIP sinh ra một tín hiệu âm thanh gồm có khoảng có âm và các khoảng lặng. Để tiết kiệm băng thông, ứng dụng điện thoại internet chỉ sinh ra các gói trong khi nói. Trong khi nói ngƣời gửi sinh ra các byte với tốc độ 8Kbyte/s, và cứ 20 ms ngƣời gửi tập hợp các byte thành các đoạn. Bởi vậy, số lƣợng byte trong một đoạn là (20ms).(8byte)=160 byte. Một đoạn đầu mào đƣợc gắn vào mỗi đoạn. Các đoạn và đầu mào của nó đƣợc đóng gói trong khung UTP, rồi các khung UTP đƣợc gửi tới giao diện Socket. Bởi vậy trong quá trình nói, một khung UTP đƣợc gửi định kỳ 20ms. Nếu nhƣ mỗi gói truyền tới phía nhận với độ trễ cố định, các gói đƣợc nhận ở phía ngƣời nghe định kỳ 20ms trong quá trình nói. Trong điều kiện lý tƣởng, phía nhận có thể nghe lại các đoạn một cách đơn giản. Nhƣng, một số gói có thể bị mất và các gói sẽ không có cùng độ trễ, đặc biệt trong khi xẩy ra tắc nghẽn trên mạng. Vì vậy phía nhận phải quan tâm tới việc xác định khi nào diễn tả lại đoạn và xác định làm gì với các đoạn mất. Hạn chế của dịch vụ Best-effort Nhƣ đã đề cập dịch vụ best-effort có thể dẫn đến mất gói, trễ lớn và biến động trễ lớn. Bây giời ta sẽ xem xét vấn đề này một cách chi tiết hơn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 Mất gói: Giả sử một khung UDP đƣợc sinh ra bởi ứng dụng VOIP. Các khung UDP đƣợc đóng gói trong IP packet. Khi các packet truyền đi trong mạng, nó phải đi qua các buffer (hành đợi) trong các router để đi tới đƣờng ra. Hoàn toàn có thể là một hoặc nhiều hàng đợi trong router bị đầy và không thể tiếp nhận các IP packet. Trong trƣờng hợp này, các IP packet sẽ bị loại bỏ và phía nhận sẽ không thể nhận đƣợc. Mất gói có thể loại bỏ bằng cách gửi các gói thông qua TCP mà không dùng UDP. Bởi TCP truyền lại các gói không nhận đƣợc từ phía đích. Hơn nữa, kỹ thuật truyền lại không phù hợp với các ứng dụng tƣơng tác thời gian thực nhƣ là VOIP bởi vì chúng sẽ tăng độ trễ. Hơn nữa, bởi vì đặc tính điều khiển tắc nghẽn của TCP, sau khi gói mất tốc độ truyền tại phía gửi có thể giảm và làm cho tốc độ này nhỏ hơn tốc độ ở phía nhận. Điều này có thể có một số trở ngại trong vấn đề nhận dạng âm thanh tại phía thu. Với lý do đó, hầu hết các ứng dụng VOIP thƣờng chạy trên UDP và không thực hiện việc truyền lại gói tin. Thực ra vấn đề mất gói không nghiêm trọng nhƣ chúng ra nghĩ. Thực ra, tỷ lệ mất gói nằm trong khoảng từ 1% đến 20% có thể chấp nhận đƣợc, dựa vào cách mà âm thanh mã hóa và truyền đi, và cách mà mất gói có thể che giấu ở phía thu. Ví dụ, forward error correction (FEC) có thể giúp cho việc che giấu đƣợc sự mất gói. Với FEC, các thông tin dƣ thừa đƣợc truyền cùng với thông tin gốc để mà một số dữ liệu gốc lỗi có thể khôi phục lại từ các dữ liệu dƣ thừa. Tuy nhiên, nếu một hoặc một số đƣờng link giữa ngƣời nhận và ngƣời gửi có tắc nghẽn, các gói mất vƣợt quá 20% thì khó có thể đảm bảo chất lƣợng âm thanh. Trễ end to end: Trễ end to end là gồm có trễ xử lý và trễ hàng đợi trên router, trễ lan truyền, và các trễ xử lý tại đầu cuối dọc theo đƣờng từ nguồn tới đích. Với những ứng dụng tƣơng tác cao, nhƣ là VOIP, trễ end to end nhỏ hơn 150ms thì ngƣời nghe sẽ không cảm nhận đƣợc; trễ giữa 150ms và 400ms có thể chấp nhận đƣợc nhƣng chƣa lý tƣởng; và trễ vƣợt quá 40 ms sẽ làm hỏng các cuộc hội thoại tƣơng tác bằng âm thanh. Biến động trễ : Một thành phần chủ yếu đối với trễ end to end là trễ hành đợi ngẫu nghiê trong một router. Bởi vì trễ là khác nhau trong mạng, thời gian từ lúc một gói đƣợc sinh ra ở nguồn cho đến khi nó nhận ở phía thu có thể giao động giữa các gói với nhau. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là jitter. Một ví dụ, giả sử hai gói liên tiếp nhau trong lúc phát tiếng nói đi vào ứng dụng VOIP. Ngƣời gửi gửi gói thứ hai 20ms sau khi gửi gói thứ nhất. Nhƣng ở phía nhận, khoảng thời gian giữa các gói có thể lên đến hơn 20ms. Để làm rõ điều này, giả sử gói đầu tiên ở gần hàng đợi trống của router, nhƣng sau khi gói thứ nhất rời đi thì tại hàng đợi có nhiều gói từ nguồn khác đến cùng hàng đợi đó. Do vậy gói thứ hai phải chịu độ trễ hàng đợi lớn hơn, gói thứ nhất và thứ hai trở nên xa nhau hơn 20ms. Khoảng thời Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 gian giữa các gói cũng có thể nhỏ hơn 20ms. Để thấy rõ điều này, lại giả sử hai gói liên tiếp trong đó gói thứ nhất đi vào phần cuối của hàng đợi với một số lƣợng lớn các gói, và gói thứ hai đến hàng đợi trƣớc khi các gói từ nguồn khác tới. Trong trƣờng hợp này, hai gói đang xét sẽ ở gần kề nhau trong hàng đợi. Nếu nhƣ thời gian để truyền một gói trong đi ra ngoài nhỏ hơn 20ms thì gói thứ nhất và thứ hai sẽ cách nhau khoảng thời gian nhỏ hơn 20ms. Nếu nhƣ phía nhận bỏ qua sự tồn tại của jitter, và khôi phục các đoạn nhƣ là những gì nhận đƣợc, khi đó sẽ dẫn đến chất lƣợng âm thanh trở nên không nhận ra tại phía thu. Tuy nhiên jitter có thể đƣợc loại bỏ bằng cách sử dụng sequence number, timestamps và plauout delay. Loại bỏ jitter tại đầu thu đối với âm thanh Đối với ứng dụng âm thanh nhƣ VOIP hoặc âm nhạc theo yêu cầu, phía nhận nên cung cấp khả năng phát đồng bộ các đoạn âm thanh khi mà vẫn tồn tại jitter mạng. Điều này thực hiện đƣợc bằng việc kết hợp ba kỹ thuật sau : Gán vào mỗi đoạn một số liên tục. Ngƣời gửi tăng dãy số liên tục lên một đối với các gói tin sinh ra. Gán cho mỗi đoạn một nhãn thời gian. Phía gửi gán mỗi đoạn một thời gian cho mỗi đoạn đƣợc sinh ra. Hiển thị trễ các đoạn ở phía nhận. Hiển thị trễ các đoạn âm thanh nhận đƣợc phải đủ dài để cho các gói nhận đƣợc trƣớc khi lên lịch hiển thị. Trễ hiển thị có thể đƣợc cố định trong khoảng thời gian trong suốt toàn bộ thời gian hội nghị, hoặc có thể thay đổi tùy biến trong thời gian hội nghị. Các gói không đến đƣợc trƣớc khi thời gian lên lịch hiển thị sẽ bị coi là mất; nhƣ đã đề cập, phía nhận có thể sử dụng một số dạng nội suy tiếng nói để cố gắng làm ẩn đi sự mất gói. Khôi phục lại gói mất:  Chỉnh sửa dữ liệu phía người gửi (Sender-Based Repair) Một số kỹ thuật chỉnh sửa dữ liệu với sự tham gia của bên gửi luồng dữ liệu có thể để phục hồi các gói bị mất. Các kỹ thuật này có thể chia thành hai loại: sự truyền lại tích cực và mã hoá kênh thụ động. Mã hoá kênh thụ động lại đƣợc chia làm hai dạng là sửa lỗi trƣớc (FEC: Forward Error Correction) và sự sắp xếp đan xen. FEC có thể là : không phụ thuộc môi trƣờng (media-independent) hay phụ thuộc môi trƣờng (media-specific). Sự phân loại này đƣợc thể hiện ở hình 1.3. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 Sửa lỗi dựa trên ngƣời gửi Chủ động Thụ động Truyền lại Đan xen Sửa lỗi trƣớc Phụ thuộc môi trƣờng Độc lập môi trƣờng Hình 1.3: Phân loại các kỹ thuật sửa đổi dữ liệu phía người gửi Để đơn giản cho thảo luận tiếp theo chúng ta tách biệt khái niệm đơn vị dữ liệu và gói dữ liệu. Một đơn vị là một khoảng thời gian dữ liệu về âm thanh, chúng đƣợc lƣu trữ ở thiết bị đầu cuối tại công cụ audio. Một gói bao gồm một hay nhiều đơn vị liên kết với nhau để truyền dẫn trên mạng. - Sửa lỗi trƣớc (Forward Error Correction) Một số kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi trƣớc đã đƣợc phát triển để khắc phục sự mất mát dữ liệu trong thời gian truyền dẫn. Bằng cách đƣa thêm dữ liệu vào luồng gửi đi ta có thể phục hồi đƣợc nội dung của các gói bị mất. + FEC độc lập với môi trƣờng (Media-independent FEC) Có nhiều phƣơng pháp mã hoá FEC không phụ thuộc vào dữ liệu nhƣ là mã hoá đại số hay mã khối để thêm vào các gói tin trong quá trình truyền dẫn giúp chúng ta hiệu chỉnh sự mất gói. Mỗi mã có một từ mã riêng và kết hợp với k gói dữ liệu để tạo ra n-k gói kiểm tra, kết quả là số gói đƣợc truyền trên mạng là n gói. 1 2 3 4 1 2 3 4 FEC 1 2 3 4 1 2 4 FEC Luồng gốc Hiệu chỉnh lỗi trƣớc Mất gói Luồng khôi phục Hình 1.4: Sửa đổi dữ liệu sử dụng FEC Có rất nhiều cách mã hoá khối song ở đây chỉ đề cập đến hai cách là : mã hoá chẵn lẻ và mã Reed-Solomon. Các cách mã hoá khối này đầu tiên đƣợc sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh các lỗi trong luồng bít truyền dẫn bằng cách tạo ra các bít kiểm tra từ các bít dữ liệu. Một luồng các gói đƣợc truyền đi chúng ta quan tâm tới sự mất mát các gói tin của nó vì vậy chúng ta phải áp dụng cách mã hoá khối thông qua các các bít trong các khối của các gói tin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 Trong mã hoá chẵn lẻ các thao tác XOR đƣợc áp dụng cho một nhóm các gói để tạo ra các gói tin chẵn lẻ phù hợp. Trong giản đồ hình 1.4 thì cứ n-1 gói dữ liệu lại truyền đi một gói chẵn lẻ. Với điều kiện chỉ mất một gói trong n gói dữ liệu đƣợc truyền đi thì gói mất đó sẽ đƣợc phục hồi lại. Có nhiều cách mã hoá chẵn lẻ khác nhau bắt nguồn từ sự tổ hợp khác nhau về XOR của các gói. Một vài cách mã hoá kiểu này đƣợc đề cập bởi Budge và đã đƣợc tổng kết bởi Rosenberg và Schulzrinne. Mã Reed- Solomon (RS) rất nổi tiếng về việc hiệu chỉnh các lỗi. Việc mã hoá dựa trên thuộc tính của các đa thức. Bản chất của mã hoá RS là lấy một số từ mã và sử dụng chúng làm hệ số của đa thức f(x). Phƣơng pháp FEC có nhiều ƣu điểm. Trƣớc tiên, về cách mã hoá độc lập với môi trƣờng, các thao tác của FEC không phụ thuộc vào nội dung gói tin và khi sửa chữa sẽ lập lại chính xác vị trí của gói tin bị mất. Các thao tác tính toán nhằm khắc phục gói tin bị mất và khôi phục chúng là rất đơn giản. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là thêm độ trễ, tăng băng thông và công cụ mã hoá khó khăn. + FEC phụ thuộc vào môi trƣờng (Media-specific FEC) Một cách đơn giản để chống lại sự mất gói tin là truyền mỗi khối audio trong nhiều gói. Nếu một gói bị mất thì nội dung của gói khác có khối tƣơng tự sẽ khôi phục lại gói bị mất đó. Nguyên lý này đƣợc minh hoạ trong hình 1.5. Cách làm này đƣợc đề nghị._. nó. Chuyến mạch nhãn đa giao thức MPLS là một giải pháp cho vấn đề gặp phải trong mạng IP và một số trƣờng hợp mở rộng trong mạng ATM. MPLS cung cấp 1 cơ chế kỹ thuật lƣu lƣợng cho mạng chuyển mạch gói nhƣ mạng IP hay ATM. Trong trƣờng hợp này, MPLS có thể hỗ trợ IP DiffServ, và có thể đƣợc sử dụng kết hợp với IP DiffServ. Mạng ATM có một cơ sở hạ tầng mạng hƣớng liên kết dựa trên các liên kết ảo và phù hợp ý tƣởng với MPLS. Cụm từ “multiprotocol” trong MPLS nghĩa là MPLS có thể tích hợp với bất kỳ giao thức lớp mạng nào, điều đó nghĩa là nó độc lập với các giao thức lớp cao hơn trên lớp MPLS. 5.1 Cơ sở lý thuyết của MPLS 5.1.1 Sự chuyển tiếp gói IP thông thường Để hiểu rõ những giá trị của MPLS, trƣớc hết chúng ta tìm hiểu xem các router IP chuyển tiếp gói tin nhƣ thế nào. Hình 5.1 thể hiện cách định tuyến IP thông thƣờng. Tại mỗi router trong mạng IP, một gói đƣợc chuyển tiếp tới router tiếp theo dựa trên 1 bảng định tuyến. Một bảng định tuyến đƣợc lập trình trong router và còn tồn tại cố định cho tới khi nó bị thay đổi bằng tay bởi ngƣời quản trị mạng Tại mỗi router, có một số hạn chế port output mà một gói có thể đƣợc định tuyến. Các gói đến trƣớc tiên đƣợc ánh xạ đến “các lớp chuyển tiếp tƣơng đƣơng” (Forwarding Equivalence Classes - FEC). Tất cả các gói trong một lớp FEC đƣợc định tuyến tới cùng một cổng ra. Theo quan điểm của định tuyến, tất cả các gói đƣợc nhóm trong cùng một FEC là giống nhau và đƣợc chuyển tiếp theo cùng một đƣờng. Nhƣ trong hình 5.1, khi một gói đến router, router trƣớc tiên kiểm tra header của gói Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 82 và dựa trên các thông tin có trong header, ánh xạ gói vào một FEC. Mỗi lần gói đƣợc ánh xạ vào môt FEC, bảng định tuyến chỉ ra cổng ra nào mà gói của FEC đó có thể đƣợc chuyển tiếp đến. Gói IP router Hop router kế tiếp Gói đến FEC Địa chỉ hop kế tiếp Phân chia gán Các chức năng IP router thông thƣờng Hình 5.1: Chức năng định tuyến IP chuẩn Các router IP thông thƣờng chỉ hỗ trợ rất giới hạn số các FEC, ví dụ theo địa chỉ IP đích. Sự phân chia FEC đa chiều là khó khăn vì việc xử lý gói mạng và vấn đề mở rộng. Tại mỗi router, quá trình này đƣợc lập lại: header gói tin đƣợc kiểm tra lại, và việc ánh xạ gói tin vào một FEC và ánh xạ tới cổng ra đƣợc lập lại. Quá trình kiểm tra header của gói chiếm dụng nhiều tài nguyên và tốn nhiều thời gian. 5.1.2 Các cải tiến của MPLS MPLS không bỏ qua chuyển tiếp gói. Vậy thì ƣu điểm của sử dụng MPLS là gì? Bằng cách sử dụng nhãn hơn là sử dụng thông tin chứa trong header IP, quá trình xử lý phức tạp trong chuyển tiếp gói đƣợc đơn giản hóa và nhanh gọn. Ƣu điểm này tƣơng tự nhƣ ƣu điểm của hệ thống “zip code” đựoc sử dụng trong dịch vụ thƣ tín của Mỹ. Sử dụng các zip code thay vì các điạ chỉ thông thƣờng làm cho việc chuyển phát nhanh hơn. Còn nhiều lợi ích khác khi sử dụng MPLS. MPLS cung cấp một định nghĩa kỹ thuật lƣu lƣợng của mạng chuyển mạch gói. Bằng việc sử dụng các nhãn trên đỉnh các header có sẵn của mỗi gói, MPLS có thể hƣớng dẫn các gói lƣu lƣợng tới các đƣờng dẫn đã đƣợc tính trƣớc, mà nó có thể khác với các đƣờng dẫn các gói có thể sẽ tự động nhận lấy. Các đƣờng lƣu lƣợng có thể dễ dàng đƣợc vẽ lại 1 cách đơn giản bằng cách sử dụng các nhãn khác nhau mà không cần sự thay đổi nội dung của các header của gói. Kể từ đây, với MPLS, chuyển tiếp gói đƣợc dựa trên việc xử lý nhãn đơn giản và không còn dựa trên việc xử lý các header có sẵn của gói tin, chuyển tiếp trong MPLS có thể đƣợc thực hiện tại các thiết bị không có khả năng chuyển tiếp gói nguyên bản. Trong thực tế, cụm từ “multi-protocol” có nghĩa là MPLS có khả năng độc lập với các giao thức gói ban đầu. Trong MPLS, các nhãn có thể đƣợc xác định cho các gói dựa trên các yếu tố khác hơn là dựa trên nội dung header gói ban đầu, ví dụ, xác định cổng đến, xác định router biên vào… Việc nhóm các lớp lƣu lƣợng cho Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 việc đánh nhãn rất linh hoạt và có thể đƣợc thực hiện không phụ thuộc vào các cấu trúc định tuyến gói ban đầu. 5.1.3 Kiến trúc MPLS Kiến trúc MPLS đƣợc định nghĩa trong văn bản RFC 3031. Liên hệ với hình 5.1, một node MPLS là một node có khả năng chuyển tiếp gói dựa trên nhãn. Một vùng MPLS là một tập hợp liền kề các node MPLS và là một vùng định tuyến, quản lý đƣợc, ví dụ, một ISP (Internet Service Provider). Gói Node vào Node ra LSR LSP Miền MPLS LSR LER LER Hình 5.2: Khiến trúc của MPLS Các node ingress, egress MPLS là các node biên mà lƣu lƣợng khi đi vào hoặc đi ra khỏi miền MPLS phải thông qua nó. Một router chuyển mạch nhãn (LSR) là một node MPLS có khả năng chuyển tiếp các gói lớp 3 truyền thống. Một router chuyển mạch nhãn biên (LER) là 1 LSR tại biên vào hay biên ra. Một chặng đƣờng chuyển mạch nhãn là một chặng giữa 2 node MPLS, mà ở đó chuyển tiếp gói sử dụng các nhãn. Một đƣờng chuyển mạch nhãn (LSP) là một đƣờng đƣợc định tuyến qua một hay nhiều LSR theo mức độ phân cấp của các gói trong phần FEC. Trong MPLS, mỗi gói đƣợc gán một nhãn. Các gói thuộc cùng một FEC đƣợc gán cùng một nhãn. Một nhãn chỉ có giá trị nội bộ, và có thể đƣợc ánh xạ tới các nhãn khác khi một gói đi qua mạng. 5.2 Mã hóa nhãn Có hai kiểu kỹ thuật mã hóa nhãn trong MPLS: Sử dụng một nhãn mới cho MPLS ví dụ nhƣ Shim header Sử dụng thông tin có sẵn trong liên kết dữ liệu hoặc trong các nhãn của lớp mạng nhƣ VCI hay VPI trong ATM header. 5.2.1 MPLS shim header MPSL shim header đƣợc định nghĩa theo chuẩn RFC 3032. Hình 5.3 mô tả MPLS shim header. Shim header đƣợc chèn vào header lớp 2 và lớp 3. Nó có độ dài 32 bit trong đó 20 bit đƣợc sử dụng để xác định nhãn. 3 bit trong trƣờng EXP đƣợc dành riêng cho mục đích thử nghiệm. Trƣờng EXP sẽ đƣợc thảo luận sau trong phần Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 84 MPLS hỗ trợ DiffServ liên quan tới nhƣ E-LSP. Một bit trong trƣờng stack đƣợc sử dụng để tạo một ngăn xếp nhãn, và chỉ ra sự hiện diện của một ngăn xếp nhãn. Tám bít trƣờng Time to Live tƣơng tự nhƣ trƣờng TTL của các giao thức khác, ví dụ, IP header, và nó bị giảm đi tại mỗi LSR. Tiêu đề lớp 2 Nhãn 20bit EXP 3bit S 1 bit TTL 8 bit Tiêu đề lớp 3 Dữ liệu Chèn tiêu đề MPLS (32 bit) Hình 5.3: Đầu mào MPLS Tiêu đề L2 Lm Lm-1 . . . . L1 Tiêu đề lớp 3 Tải trọng M nhãn Hình 5.4: Xếp chồng nhãn độ sâu m Các nhãn đƣợc tổ chức một cách có thứ tự trong ngăn xếp nhãn (stack). Hình 5.4 cho thấy tất cả m Shim header MPLS đƣợc xếp chồng lên nhau và ở trên header lớp 3 nhƣ 1 ngăn xếp. Mỗi shim header xác định một nhãn riêng biệt. Nhãn ở dƣới cùng của ngăn xếp hay là nhãn gần header lớp 3 nhất là nhãn level 1, và nhãn ở trên đỉnh ngăn xếp là nhãn level m. Một ngăn xếp nhãn có độ dài 0 là một ngăn xếp rỗng và nó liên kết với 1 gói không gán nhãn. Một ngăn xếp nhãn đƣợc sử dụng để tạo ra một thứ tự các đƣờng hầm MPLS, nhƣ một đƣờng hầm trong một đƣờng hầm khác nhà cứ nhƣ thế. 5.2.2 Mã hóa nhãn qua mạng ATM 5.2.2.1 Mã hóa ATM SVC Từ khi ATM là 1 mạng chuyển mạch gói hƣớng liên kết, nó cung cấp 1 cơ sở hạ tầng rất dễ dàng thích ứng với việc triển khai MPLS. Các trƣờng VPI và VCI trong ATM đƣa ra một định nghĩa thích nghi với việc đánh nhãn MPLS. Hình 5.5 thể hiện một LSP đƣợc tạo ra bằng việc sử dụng một SVC. Nhãn MPLS trong trƣờng hợp này là sự kết hợp của VPI và VCI. IP Packet Switch ATM Switch ATM SVC VPI=3 VCI=7 Các cell ATM VPI=3 VCI=7 Gói đến Hình 5.5: MPLS LSP sử dụng ATM SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 85 5.2.2.2 Mã hóa ATM SVP Hình 5.6 thể hiện 1 LSP với 1 ngăn xếp nhãn có độ dài 2 đƣợc tạo ra bằng việc sử dụng 2 trƣờng VPI và VCI. Trong ví dụ này, trƣờng VPI đƣợc sử dụng nhƣ là nhãn level 2 và VCI là nhãn level 1. VPI xác định 1 đƣờng hầm LSP và VCI xác định 1 đƣờng hầm khác bên trong đƣờng hầm VPI. SVP Các cell ATM VPI=3 VCI=7 IP Packet Gói đến Switch ATM Switch ATM LSP mức 2 VPI=3 VCI=7 LSP mức 1 VPI=3 Hình 5.6: MPLS LSP sử dụng ATM SVP 5.2.2.3 Mã hóa đa điểm ATM SVC Hình 5.7 là sự hòa trộn của 2 ví dụ đã đề cập ở trên. Trong trƣờng hợp này, trƣờng VPI đƣợc sử dụng nhƣ là nhãn level 2 nhƣ trong ví dụ hình 5.6. Tuy nhiên, trong ví dụ ở hình 5.7 này, chỉ 1 phần của trƣờng VCI đƣợc sử dụng nhƣ là nhãn level 1. Phần còn lại của trƣờng VCI đƣợc sử dụng để nhận diện đầu vào LSP. Trong ví dụ này, các tế bào ATM từ các gói khác nhau có thể mang các giá trị VCI khác nhau. SVP Các cell ATM VPI=3 VCI=7 IP Packet Gói đến Switch ATM Switch ATM LSP mức 2 VPI=3 VCI=7 LSP mức 1 VPI=3 ID LSP đầu vào VCI=59 Hình 5.7: MPLS LSP sử dụng ATM SVP mã hóa đa điểm 5.3 Hoạt động của MPLS 5.3.1 Ánh xạ nhãn 5.3.1.1 Ánh xạ nhãn vào (ILM) Ánh xạ nhãn vào là 1 bảng chuyển mạch nhãn tƣơng tự nhƣ bảng định tuyến IP trong các router IP. Nó thƣờng đƣợc MPLS dùng để chuyển tiếp các gói đã đƣợc dán nhãn. Hình 5.8 trình bày về ILM. ILM ánh xạ nhãn của 1 gói đến tới NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry). Trong các lối ra trong NHLFE là Hop tiếp theo và 1 ngăn xếp nhãn đƣợc thực hiện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 Gói đã dán nhãn Gói LSR Hop kế tiếp LSR Ánh xạ nhãn vào (ILM) Hình 5.8: Ánh xạ nhãn vào 5.3.1.2 Ánh xạ FEC tới NHLFE (FTN) Phép ánh xạ từ FEC tới NHLFE (FTN) tƣơng tự nhƣ ILM. Sự khác biệt cơ bản là ánh xạ FTN đƣợc sử dụng cho việc chuyển tiếp các gói không dán nhãn mà nó cần phải đƣợc dãn nhãn trƣớc khi đƣợc chuyển tiếp. Hình 5.9 trình bày ánh xạ FTN. Gói không gán nhãn Gói LSR Hop kế tiếp Map FTN LSR Hình 5.9: Ánh xạ FTN 5.3.1.3 Sự tráo đổi nhãn Hình 5.10 trình bày quá trình tráo đổi nhãn MPLS cho 1 gói đã đƣợc dán nhãn sử dụng ILM. Một gói đã dán nhãn đến đƣớc xử lý bằng cách ánh xạ nhãn của nó tới FEC tƣơng ứng và sau đó tới NHLFE. Lối ra NHLFE chỉ ra chặng tiếp theo cho gói. Nó cũng trình bày hoạt động của ngăn xếp nhãn để trình diễn. Ví dụ, nhãn đến đã đƣợc bóc ra (nhãn 1) và 1 nhãn mới (nhãn 2) đƣợc dán vào. Gói đã n nhãn đến L1 IP IP L2 LSR ILM Hop kế tiếp “Gói đã gán nhãn mới” đầu ra “Đổi nhãn” Hình 5.10: Trao đổi nhãn Dựa trên FEC và thông tin về chặng tới thu đƣợc từ ILM, và dựa trên sự liên kết nhãn giữa LSR hiện thời và LSR chặng tiếp theo, 1 nhãn mới đƣợc dán lên gói. gói đƣợc dán nhãn mới sau đó đƣợc chuyển tiếp tới LSR chặng tiếp theo. Hình 5.11 trình bày sự chuyển tiếp của các gói không đƣợc dán nhãn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 87 Tráo đổi nhãn đƣợc thực hiện cho các gói đến đã đƣợc dán nhãn. Để chuyển tiếp 1 gói không đƣợc gán nhãn, sự khác nhau là trong việc xác định FEC. Khi 1 gói không đƣợc dán nhãn đến 1 LSR, LSR trƣớc tiên phải xác định FEC của nó không phải từ nhãn vì không có nhãn nào trong header lớp 3 của gói. Một FEC cho gói không dán nhãn đƣợc xác định, sự ngừng lại của quá trình tƣơng tự nhƣ quá trình tráo đổi nhãn đã đƣợc thảo luận trƣớc đây không kể ánh xạ FTN đƣợc sử dụng thay vì ánh xạ ILM. Trong trƣờng hợp này, không có nhãn nào để bóc. Một nhãn mới đƣợc dán vào gói và gói đã dán nhãn đƣợc chuyển tiếp tới LSR chặng tiếp theo. LSR FTN Hop kế tiếp “Gói đã gán nhãn mới” đầu ra Gói đã gá nhãn đến IP L IP “đẩy” Hình 5.11: Đẩy nhãn 5.3.2 Một ví dụ về các đường hầm phân cấp MPLS Tiêu chuẩn RFC 3031 đƣa ra 1 ví dụ về 2 cấp đƣờng hầm. Hình 5.12 minh họa ví dụ bằng hình ảnh theo từng bƣớc một. Trong hình minh họa, các khóa sự kiện đƣợc đánh số. 1 gói IP chƣa dán nhãn “P” đến router R1. Gói này nhận lấy 1 LSP level 1, LSP 1, từ R1 đến R4. Bƣớc 1 trong hình minh họa là dán 1 nhãn level 1 L1-1 trên gói P. Gói đã đƣợc dán nhãn L1-1 đƣợc chuyển tiếp đến R2. Tại R2, bƣớc 2 là thực hiện việc tráo đổi nhãn trên L1-1 và dán 1 nhãn level 1 mới L1-2 lên gói P. R2 cũng nhận ra rằng gói P phải nhận lấy 1 đƣờng hầm LSP level 2, LSP 2, từ R2 đến R3. Bƣớc 3 là dán 1 nhãn level 2 L2-2 lên trên L1-2. Gói có độ dài nhãn là 2 này sau đó đƣợc chuyển tiếp đến R21. Từ R21 đến R23, việc tráo đổi nhãn level 2 đƣợc thực hiện. Đến R23 là LSR áp chót của LSP 2, bƣớc 4 ở R23 là bóc nhãn level 2 ra, và chuyển tiếp gói với nhãn level 1, L1-2, tới R3. Tại R3, LSR áp chót của LSP 1, bƣớc 5 là bóc nhãn level 1, L1-1, và chuyển tiêp gói tin P không có nhãn tới R4. Ở bƣớc 6, gói lớp 3 không dán nhãn P ban đầu đến điểm kết thúc của LSP 1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 88 IP L1-1 IP IP IP IP IP IP IP IPIPIP IP L1-1 L1-2 L1-1 L1-2 L1-2 L1-2 L2-21 L2-22 L1-2 L1-2 L1-2 L2-2 L2-22 L2-2 Gói IP không gán nhãn (1) Gán nhãn lớp 1 (2) Trao đổi nhãn lớp 1 (5) Nhãn lớp 2 “POP ” (6) Gói IP không gán nhãn (3) Gán nhãn lớp 2 LSP 1 ( LSP lớp 1) LSP 2 ( LSP lớp 2) (4) Nhãn lớp 2 “ POP” Trao đổi nhãn lớp 2 R1 R2 R3 R4 R21 R22 R23 Trao đổi nhãn lớp 2 Hình 5.12: Một ví dụ về LSP phân cấp 5.4 MPLS hỗ trợ DiffServ Ý tƣởng cơ bản của MPLS là sử dụng một nhãn và bỏ qua việc xử lý IP header. Vì lý do đó, MPLS không biết dữ liệu gì đƣợc chuyển trong gói tin, mà điều này có trong header của các gói IP. MPLS làm thế nào để hỗ trợ DiffServ? Khó khăn cơ bản là DiffServ sử dụng DSCP và DSCP nằm trong IP header. DSCP làm thế nào để có ý nghĩa với lớp MPLS? Tiêu chuẩn RFC 3270 cung cấp 1 giải pháp cho việc hỗ trợ DiffServ trong mạng MPLS. Có 2 cách cơ bản để trình bày vấn đề này. Một cách là sử dụng 1 trƣờng trong shim header của MPLS để ánh xạ các PHB DiffServ tới DSCP tƣơng ứng trong IP header; cách khác là tạo 1 LSP riêng biệt trên mỗi PHB đƣợc miêu tả bởi các DSCP. Cách đầu tiên LSP đƣợc gọi là E-LSP, ở cách sau là L-LSP. 5.4.1 E-LSP Shim header của MPLS chứa 3 bit dành riêng cho mục đích thử nghiệm. Trƣờng 3 bit này đƣợc biết đến là trƣờng EXP. Trƣờng EXP có thể đƣợc sử dụng để hỗ trợ DiffServ bởi MPLS. Một LSP có khả năng hỗ trợ các DiffServ PHB đƣợc tạo ra bằng cách sử dụng trƣờng EXP nhƣ là E-LSP. E-LSP giúp cho EXP suy luận ra danh mục lớp PHB trong các LSP. Trong E- LSP, có tới 8 DiffServ PHB có thể đƣợc phân biệt trong 1 LSP vật lý bằng cách sử dụng 23 hoán vị các bit trong trƣờng EXP. Hình 5.13 trình bày phép ánh xạ của các DiffServ PHB tới trƣờng EXP trong shim header của MPLS. Cú ý rằng nhiều DSCP có thể đƣợc nhóm vào 1 PHB. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 Tiêu đề lớp 2 EXP 111 DSCP 101 110 Tải trọng IP Sắp xếp từ PHB đến EXP Chèn tiêu đề MPLS (32 bit) Tiêu đề IP Hình 5.13: Ánh xạ giữa DiffServ PBH với các bit MPLS EXP Bảng 5.1 là một ví dụ của việc ánh xạ EF, 4 lớp AF và lớp best-effort tới EXP. Hình 5.14 trình bày 1 E-LSP với 7 PHB khác nhau. Tại mỗi LSR, 7 PHB có thể đƣợc sắp xếp trong 7 hàng đợi riêng biệt. Bảng 5.1: Ánh xạ DiffServ với EXP Lớp PHB Lớp con PHB DSCP EXP EF 101110 111 AF4 AF41 100100 110 AF42 100100 AF43 100110 AF3 AF31 011010 101 AF32 011100 AF33 011110 AF2 AF21 010010 100 AF22 101000 AF23 010110 AF1 AF11 001010 011 AF12 001100 AF13 001110 BE 000000 010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 Các hàng đợi Các hàng đợi Các hàng đợi LSR đầu vào LSR đầu ra Phân lớp gói Các lƣu lƣợng gói đến Điều khiển mạng Cổng ra Lập biểu gói EF AF4 AF3 AF2 AF1 BE Hình 5.14: E-LSP 5.4.2 L-LSP Một phƣơng pháp khác hỗ trợ DiffServ PHB là L-LSP. L-LSP chỉ giúp cho nhãn suy luận ra danh muc lớp PHB trong các LSP. Trong phƣơng thức L-LSP, nhiều LSP đƣợc thiết lập giữa 1 LSR biên vào và 1 LSR biên ra. Mỗi LSP truyền tải lƣu lƣợng thuộc về 1 lớp yêu cầu 1 PHB cụ thể. Các LSP đƣợc cấu hình trƣớc theo cách nhãn chỉ định ra 1 lớp PHB cụ thể. Các gói EF Các gói AF Các gói BE Hình 5.15: L-LSP Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 Kết luận chƣơng Chƣơng V trình bầy về giao thức chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS. Đây là một giao thức mới hoạt động ở lớp 2,5 tức là giữa lớp 3 và lớp 2. Giao thức này là sự kết hợp giữa kỹ thuật định tuyến lớp 2 và chuyển mạch lớp 2. Các thiết bị chuyển mạch nhãn chỉ quan tâm tới địa chỉ IP ở các LSR biên, còn tại các LSR lõi sẽ chỉ thực hiện chuyển mạch nhãn dựa trên các nhãn của gói tin. Việc hình thành các LSP sẽ giúp gói tin đến đích nhanh hơn do các đƣờng này đã đƣợc thiết lập sẵn và các LSR không phải thực hiện quá trình định tuyến nhiều lần nhƣ các router trong mạng IP. MPLS là giao thức rất phổ biến hiện nay trong việc triển khai các mạng IP lõi hay còn gọi là mạng Core IP/MPLS do nó có hỗ trợ các kỹ thuật lƣu luợng và dịch vụ DifServ. Việc triển khai hạ tầng mạng IP trên nền mạng MPLS sẽ nâng cao đáng kể hiệu năng mạng IP và qua đó góp phần năng cao chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP. Ngòai ra do đặc tính hỗ trợ đa giao thức nên MPLS thích hợp với nhiều cấu trúc mạng đã có nhƣ ATM, Frame Relay, Ethernet và IP nên nó đặc biệt phù hợp trong việc triển khai các mạng tích hợp đa dịch vụ trên nền công nghệ chuyển mạch gói, điển hình là mạng thế hệ mới NGN hay mạng MAN. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 92 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Kết luận về luận văn Trong thời gian làm luận văn, tác giả đã tìm hiểu về chất lƣợng dịch vụ, các yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ đối với các dịch vụ khác nhau, các các kỹ thuật đảm bảo chất lƣợng dịch vụ, đặc biệt là tìm hiểu sâu về cách đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP với hai mô hình IntServ và DiffServ. Trong luận văn cũng mở rộng vấn đề khi trình bầy về hai giao thức ATM và MPLS ở khía cạnh hỗ trợ giao thức IP trong việc năng cao chất lƣợng dịch vụ trong các mạng lõi. Luận văn trình bầy đã đƣa ra nhiều ví dụ thực tế để làm rõ vấn đề cần trình bầy. Đã xây dựng một cấu trúc mạng thực tế để triển khai QOS trên nền mạng IP/MPLS, đã xây dựng đƣợc một chƣơng trình mô phỏng một số kỹ thuật áp dụng trong VOIP. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo Tìm hiểu sâu hơn nữa về các kỹ thuật quản lý lƣu lƣợng trong mạng MPLS. Tìm hiểu kỹ hơn các kỹ thuật đảm bảo chất lƣợng dịch vụ đối với các mạng truyền thông đa phƣơng tiện Multi-media. Tìm hiểu về các vấn đề chất lƣợng dịch vụ đối với mạng sử dụng IP version 6. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Kun I.Park, The MITRE Corporation USA: “QoS IN PACKET NETWORK”. 2. Michael E.Flannagan, “Cisco QoS in IP NETWORKS”, www.syngress.com 3. “Computer Networking: A Top-down Approach Featuring Internet” 4. Sybex - JNCIE - “Juniper Networks Certified Internet Expert (2003)”, www.sybex.com Report, CAIDA, December 2003, 5. Harry G. Perros, “Connection-Oriented NETWORKS Sonet/SDH, ATM, MPLS and Optical Networks”. John Wiley & Sons, Ltd. 6. Santiago Alvaez, Cisco Press :“QoS for IP/MPLS Network”, June 02, 2006. 7. Vinod Joseph and Brett Chapman, Elsevier Inc “Deploying Qos for Cisco Ip and Next Generation Networks” 2009 8. Cisco System, “Enterprise QoS Solution Reference Network Design Guide” Version 3.3 November 2005 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 94 PHỤ LỤC 1. Triển khai QoS cho mạng băng rộng của VNPT Thái Nguyên Với những nghiên cứu ở trên, tôi đã sử dụng những kiến thức và hiển biết về chất lƣợng dịch vụ trong mạng IP để thiết kế nên mô hình triển khai QoS trên mạng băng rộng của VNTP Thái Nguyên. Hiện nay, VNPT Thái Nguyên đang khai thác nhiều dịch vụ trên nền mạng IP nhƣ dịch vụ Internet ADSL, dịch vụ Internet tốc độ cao FTTH, dịch vụ IPTV, VOD, VPN, ….Việc khai thác nhiều loại hình dịch vụ trên cùng một hạ tầng mạng đòi hỏi vấn đề QoS phải đƣợc quan tâm trong quá trình thiết kế mạng. Hình phụ lục 1: Cấu trúc chung mạng MANE và mô hình kết nối Mạng MANE là mạng truyền tải Core cho các lƣu lƣợng băng rộng trong nội bộ một tỉnh, thành phố. Mạng MANE sẽ đƣợc kết nối với mạng IP core ở lớp trên và mạng truy nhập ở lớp dƣới. Và dƣới đây là cấu trúc mạng MANE Thái Nguyên: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 95 Đán Phú Lương Định Hóa Sông Công Phổ Yên Phú Bình Đồng Hỷ Lưu Xá 5Km 43Km 9Km 18Km 5Km 31Km 23Km 35Km 15Km 60Km Hệ thống quản lý IP/MPLS BackBone 26 Km 0.0 5K m Đại Từ La Hiên 30Km Ring 2 1Gb Ring 5 1Gb*2 Ring 4 1GB*2 Ring 3 1Gb*2 35Km 26Km 10Km Trại Cau Bắc Sơn 31Km CORE 1Gb Thái Nguyên Thái Nguyên Đại Từ Ring 1 10Gb 36Km BRAS PE 35 Km Hình phụ lục 2: Cấu trúc mạng MANE Viễn thông Thái Nguyên Chức năng của mạng MANE là để thu gom toàn bộ lƣu lƣợng Ethernet của khách hàng trong nội tỉnh lên trên thiết bị BRAS và PE qua đó cung cấp các dịch vụ khác nhau cho khách hàng. MANE đƣợc xây dựng trên nền tảng công nghệ chuyển mạch nhãn MPLS. Các thiết bị truy nhập nhƣ thiết bị IPDSLAM/MSAN sẽ đƣợc kết nối thẳng lên MANE. Những thiết kế QoS trên mạng MANE Thái Nguyên: - Cài đặt MPLS TE: để đảm bảo độ tin cậy của mạng và khả năng tối ƣu hóa lƣu lƣợng: Đối với mạng IP cổ điển, khi mạng xẩy ra mất kết nối ở một tuyến nào đó các router phải tiến hành cập nhật lại bảng định tuyến và chuyển tiếp các gói tin theo hƣớng khác. Nhƣ vậy thời gian hội tụ mạng sẽ lâu khi đó các dịch vụ thời gian thực nhƣ VOIP, Streaming, … sẽ bị gián đoạn cho tới khi mạng hội tụ trở lại. Vấn đề thứ hai là nguyên tắc định tuyến gói tin tại các router, các router luôn định truyến gói tin theo đƣờng tốt nhất mà nó biết. Tuy nhiên khi mọi gói tin đều đi theo đƣờng này thì chính đƣờng tốt nhất đó trở nên tắc nghẽn. Và MPLS TE sẽ giải quyết các vấn đề này thông qua việc sử dụng giao thức RSVP-TE để thiết lập các đƣờng hầm LSP để xác định một đƣờng trƣớc. Điền này sẽ giúp cho mạng không tắc nghẽn và cân bằng tải. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 8 Thái Nguyên Đại Từ Sông Công Tunne l 1 Phổ Yên Bắc Sơn Lưu Xá BRAS PE Lo:123.29.22.151/32 IPDSLAM Bình Sơn Lo:123.29.22.150/32 Lo:123.29.22.152/32 Lo:123.29.22.153/32 Lo:123.29.22.128/32 Lo:123.29.22.129/32 10.23.0.58/30 10.23.0.57/30 10.23.0.54/30 10.23.0.53/30 10.23.0.50/30 10.23.0.49/30 10.23.0.46/30 10.23.0.45/30 10.23.0.42/30 10.23.0.41/30 Tunnel 2 Hình phụ lục 3: Đường hầm MPLS TE Cấu hình tại UPE Sông Công: mpls lsr-id 123.29.22.151 mpls mpls te mpls rsvp-te mpls te cspf mpls l2vpn mpls ldp remote-peer 1 remote-ip 123.29.22.128 interface LoopBack 0 ip address 123.29.22.151 255.255.255.255 isis enable 1 interface GigabitEthernet 3/0/0.1 vlan-type dot1q 1 mpls l2vc 123.29.22.128 1 tunnel-policy tunnel0/0/0 interface GigabitEthernet1/0/0 ip address 10.23.0.50 255.255.255.252 isis enable 1 mpls mpls te mpls rsvp-te interface GigabitEthernet2/0/0 ip address 10.23.0.53 255.255.255.252 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 97 isis enable 1 mpls mpls te mpls rsvp-te isis 1 is-level level-1 cost-style wide network-entity 49.0090.0101.0111.00 traffic-eng level-1 interface Tunnel0/0/0 ip address unnumbered interface LoopBack0 tunnel-protocol mpls te destination 123.29.22.128 mpls te tunnel-id 1 mpls te path explicit-path 123.29.22.128_primary mpls te path explicit-path 123.29.22.128_ secondary secondary mpls te backup hot-standby mpls te reserved-for-binding mpls te commit tunnel-policy tunnel0/0/0 tunnel binding destination 123.29.22.128te Tunnel0/0/0 explicit-path 123.29.22.128_primary next hop 10.23.0.54 next hop 10.23.0.58 next hop 123.29.22.128 explicit-path 123.29.22.128_secondary next hop 10.23.0.49 next hop 10.23.0.45 next hop 10.23.0.41 next hop 123.29.22.129 next hop 123.29.22.128 Cấu hình tại PE-AGG Thái Nguyên: mpls lsr-id 123.29.22.128 mpls mpls te mpls rsvp-te mpls te cspf mpls l2vpn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 98 mpls ldp remote-peer 1 remote-ip 123.29.22.151 interface LoopBack 0 ip address 123.29.22.128 255.255.255.255 isis enable 1 interface GigabitEthernet 3/0/0.1 vlan-type dot1q 1 mpls l2vc 123.29.22.151 1 tunnel-policy tunnel0/0/0 interface GigabitEthernet1/0/0 ip address 10.23.0.28 255.255.255.252 isis enable 1 mpls mpls te mpls rsvp-te interface GigabitEthernet2/0/0 ip address 10.23.0.1 255.255.255.252 isis enable 1 mpls mpls te mpls rsvp-te isis 1 is-level level-1 cost-style wide network-entity 49.0090.0101.0112.00 traffic-eng level-1 interface Tunnel0/0/0 ip address unnumbered interface LoopBack0 tunnel-protocol mpls te destination 1.1.1.1 mpls te tunnel-id 1 mpls te path explicit-path 123.29.22.151_primary mpls te path explicit-path 123.29.22.151_ secondary secondary mpls te backup hot-standby mpls te reserved-for-binding mpls te commit tunnel-policy tunnel0/0/0 tunnel binding destination 1.1.1.1 te Tunnel0/0/0 explicit-path 123.29.22.151_primary Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 99 next hop 10.23.0.57 next hop 10.23.0.53 next hop 123.29.22.151 explicit-path 123.29.22.151_secondary next hop 10.23.0.2 next hop 10.23.0.42 next hop 10.23.0.46 next hop 10.23.0.50 next hop 123.29.22.151 - Thiết kế QoS trong mạng IP/MPLS của MANE: MPLS DiffServ đƣợc đƣa ra để đảm bảo QoS cho mỗi loại lƣu lƣợng gồm có lƣu lƣợng về quản trị và lƣu lƣợng dịch vụ. Phân lớp lƣu lƣợng và đánh dấu gói có thể thực hiện ở các hệ thống cuối, tƣờng lửa, node thu gom lớp 2, PE router, do vậy lập lịch có thể đƣợc thực hiện tại mỗi giao tiếp đầu vào của router. Bảng dƣới đây là các ví dụ về chính sách dịch vụ và định nghĩa PBH cho mỗi lớp dịch vụ. Bảng phụ lục 1: Các loại dịch vụ 802.1P IP-precedence EXP QoS Queue Network Protocol and Signal 6 6 6 CS6 (PQ) VoIP 5 5 5 EF (PQ) BTV 4 4 4 AF4 (WFQ) VoD 4 4 4 AF4 (WFQ) Network Management(DSLAM) 3 3 3 AF3 (WFQ) Enterprise 1-2 1-2 1-2 AF1-2 (WFQ) HIS (High Speed Internet) 0 0 0 BE (WFQ) Cấu hình: 1. PIPE [TNN01TNN] VSI VoIP_TNN01TNN static [TNN01TNN-VSI-_TNN01TNN] diffserv-mode pipe AF4 green #Cấu hình Pipe cho VPLS [TNN01TNN-VSI-_TNN01TNN] quit [TNN01TNN] interface gigabitethernet 4/0/2.1700 [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/2.1700] diffserv-mode pipe AF4 green #Cấu hình Pipe cho VLL Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 100 2. Hàng đợi khách hàng [TNN01TNN] interface gigabitethernet 4/0/2.700 [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/2.700] vlan-type dot1q 700 [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/2.700] l2 binding vsi EP_VNPT [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/2.700] user-queue cir 10000 pir 20000 inbound #Cấu hình SQ [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/2.700] user-queue cir 10000 pir 20000 outbound 3. Lập lịch [TNN01TNN] interface gigabitethernet 4/0/0 [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/0] port-queue af1 wfq weight 10 outbound [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/0] port-queue af2 wfq weight 20 outbound [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/0] port-queue af3 wfq weight 30 outbound [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/0] port-queue af4 wfq weight 10 outbound [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/0] port-queue EF pq shaping shaping-percentage 70 [TNN01TNN-gigabitethernet4/0/0] trust upsteam default - Thiết lập QoS trên lớp truy nhập: Trên các thiết bị truy nhập nhƣ IPDSLAM, MSAN, Switch L2 sẽ định nghĩa từng kênh dịch vụ khách với những mức ƣu tiên khác nhau tuân theo Bảng phụ lục 1. Cấu hình: + Tạo profile cho dịch vụ thuê bao ADSL tốc độ download/upload 4.096/1.024Kbps: TNN.TNN.H21(config)#adsl line-profile add 100 Start adding profile > Do you want to name the profile (y/n) [n]:y > Please input profile name:ADSL4M > Please choose default value type 0-adsl 1-adsl2+ (0~1) [0]:1 > Will you set basic configuration for modem? (y/n)[n]: > Please select channel mode 0-interleaved 1-fast (0~1) [0]: > Will you set interleaved delay? (y/n)[n]: > Please select form of transmit rate adaptation in downstream: > 0-fixed 1-adaptAtStartup 2-adaptAtRuntime (0~2) [1]: > Will you set SNR margin for modem? (y/n)[n]: > Will you set parameters for rate? (y/n)[n]:y > Minimum transmit rate in downstream (32~32000 Kbps) [32]:32 > Maximum transmit rate in downstream (32~32000 Kbps) [24544]:4096 > Minimum transmit rate in upstream (32~6000 Kbps) [32]:32 > Maximum transmit rate in upstream (32~6000 Kbps) [1024]:1024 Add profile 100 successfully TNN.TNN.H21(config)# Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 101 + Tạo traffic table cho lƣu lƣợng Internet: TNN.TNN.H21(config)#traffic table index 100 ip car 4096 priority 0 priority- policy pvc-Setting Create traffic descriptor record successfully ----------------------------------------------------------------------------- TD Index : 100 Priority : 0 Priority policy : pvc-pri CAR : 4096 kbps TD Type : NoClpNoScr Service category : ubr Referenced Status: not used EnPPDISC : on EnEPDISC : on Clp01Pcr : 4096 kbps ----------------------------------------------------------------------------- + Khai báo thuê bao ADSL TNN.TNN.H21(config)# service-port vlan 100 adsl 0/0/2 vpi 0 vc 35 rx-cttr 100 tx- cttr 100 2. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng thuật toán FEC, Interleaving và Insert: Chƣơng trình mô phỏng thuật toán FEC, Interleaving và Insert đƣợc viết bằng ngôn ngữ Visual C để làm rõ hoạt động của các thuật toán này trong mô hình triển khai dịch vụ VOIP. Chƣơng trình mô phỏng đƣợc thiết kế đơn giản và dễ sử dụng. Hình phụ lục 4: Giao diện mô phỏng iFEC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 102 Hình phụ lục 5: Giao diện mô phỏng sFEC Hình phụ lục 6: Giao diện mô phỏng Interleaving Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 103 Hình phụ lục 7: Giao diện mô phỏng Insert ._.