Đánh giá hiệu quả đảm bảo QoS cho truyền thông đa phương tiện của chiến lược quản lý hàng đợi Wred

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ XUÂN BẢO

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN CỦA

CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI WRED

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình luận văn nào trước đây.

Học viên

Vũ Xuân Bảo

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới người hướng dẫn tôi, thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Đình Việt – Giảng viên khoa Công nghệ Thông tin trường Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội, người đã định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn cao học.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô đã giảng dạy tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập, các thầy cô trong ban chủ nhiệm lớp K15T1, những người rất quan tâm tới lớp, giúp tôi và các bạn có được kết quả như ngày hôm nay.

Sau cùng, tôi xin dành tình cảm đặc biệt và biết ơn tới gia đình, người thân của tôi, những người đã ủng hộ, khuyến khích tôi rất nhiều trong quá trình học tập cũng như quá trình thực hiện luận văn này.

Do điều kiện nghiên cứu có hạn, nên bản luận văn không tránh khỏi sơ suất, kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, tháng 06 năm 2011

Vũ Xuân Bảo

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

DANH MỤC CÁC BẢNG 11

ĐẶT VẤN ĐỀ 12

1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài 12

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

3.Cấu trúc các chương 13

Chương 1. TỔNG QUAN 14

1.1 Mạng Internet và các dịch vụ 14

1.1.1 Mạng Internet 14

a. Lịch sử phát triển mạng Internet 14

b. Giao thức tầng giao vận: TCP và UDP 15

1.1.2 Đặc điểm vận chuyển lưu lượng kiểu “Cố gắng tối đa ” [2] 17

a. Tỉ lệ mất mát gói tin có thể rất lớn khi xảy ra tắc nghẽn 17

b. Độ trễ end-to-end có thể vượt quá giới hạn chấp nhận được 18

c. Jitter là không thể tránh khỏi và làm giảm chất lượng âm thanh 18

1.2 Truyền thông đa phương tiện và yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) 19

1.2.1 Một số thí dụ về truyền thông đa phương tiện 19

1.2.1.1 Ứng dụng Email, FTP 19

1.2.1.2 Ứng dụng truyền dòng (Streaming) âm thanh, hình ảnh lưu trước 20

1.2.1.3 Ứng dụng Streaming cho âm thanh, hình ảnh truyền trực tiếp (live) 21

1.2.1.4 Ứng dụng hình ảnh âm thanh tương tác thời gian thực 21

1.2.1.5 Ví dụ về điện thoại VoIP 22

1.2.2 Khái niệm QoS 24

1.2.3 Yêu cầu QoS cho truyền thông đa phương tiện 25

1.3 Các tham số hiệu năng chủ yếu của mạng liên quan đến việc đảm bảo QoS 26

1.3.1 Băng thông (bandwidth) 26

1.3.2 Độ trễ (delay) và biến thiên độ trễ (jitter) 26

a. Độ trễ (delay) 26

b. Biến thiên độ trễ (Jitter) 26

1.3.3 Tỉ lệ mất mát gói tin 27

1.3.4 Một số tham số khác 27

a. Tính sẵn sàng – độ tin cậy 27

b. Bảo mật 28

Kết luận chương 29

Chương 2. CÁC MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 30

2.1 Mô hình IntServ (Integrated Service) 30

2.1.1 Tổng quan 30

2.1.2 Kiến trúc IntServ 31

2.1.2.1 Điều khiển chấp nhận 31

2.1.2.2 Nhận dạng luồng 32

2.1.2.3 Lập lịch gói 32

2.1.2.4 Các dịch vụ của IntServ 32

2.1.3 Giao thức dành trước tài nguyên - RSVP 32

2.1.3.1 Tổng quan 32

2.1.3.2 Hoạt động của RSVP 33

2.1.3.3 Các kiểu RSVP dành trước tài nguyên 33

2.2 Mô hình DifServ (Differentiated Service) 34

2.2.1 Tổng quan 35

2.2.2 Cấu trúc DiffServ 36

2.2.3 Đánh dấu gói DiffServ 38

2.2.3.1. Đánh dấu gói trong các router thông thường. 38

2.2.3.2.Trường DiffServ (DS) 39

2.2.4 Hành vi theo từng chặng (PHB) 40

2.2.4 .1 PHB chuyển tiếp nhanh (Expedited Forwarding) 40

2.2.4.2 PHB chuyển tiếp đảm bảo (AF) 42

2.2.5.Ví dụ về Differentiated Services 43

Kết luận chương 44

Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẢM BẢO QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 45

3.1. Phương pháp bỏ đuôi - DropTail 45

3.2. Phương pháp loại bỏ ngẫu nhiên – RED 46

3.2.1 Tổng quan 46

3.2.2 Thuật toán 48

3.2.3 Thiết lập các tham số 50

a. Trọng số hàng đợi wq 50

b. Thiết lập minth và maxth 51

c. Thiết lập xác suất loại bỏ tối đa maxp 52

3.2.4 Một số đánh giá về RED 52

3.3 Phương pháp loại bỏ ngẫu nhiên theo trọng số - WRED 53

a. Cấu trúc của DiffServ 55

b. Hàng đợi RED trong module DiffServ 55

c. Router lõi và router biên 56

d. Các chính sách - Policy 57

3.4 Một số phương pháp khác 58

3.4.1. Tốc độ truy cập cam kết (CAR - Committed Access Rate) 58

3.4.1.1. Cơ chế hoạt động 58

3.4.1.2. Các chức năng của CAR 59

3.4.1.3. Mô hình chiếc thùng và thẻ bài 60

3.4.2 Định dạng lưu lượng tổng quát - GTS (Generic Traffic Shaping) 61

a. Cơ chế hoạt động của GTS 61

b. Kết luận 62

Kết luận chương 63

Chương 4. ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH WRED VỚI DROP-TAIL VÀ RED 64

4.1. Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2 64

4.2. Thiết lập tô-pô mạng mô phỏng 64

4.3. Kịch bản mô phỏng 65

4.4. Đánh giá hiệu năng truyền thông đa phương tiện khi sử dụng DropTail và RED67

4.4.1 Kịch bản 1: Tăng cường độ tắc nghẽn với các nguồn phát TCP 67

a. Kết quả 67

b. Nhận xét 68

4.4.2. Thí nghiệm 2: Tăng cường độ tắc nghẽn với nguồn phát UDP 69

a. Kết quả 69

b. Nhận xét: 71

4.5. Đánh giá hiệu năng truyền thông đa phương tiện khi sử dụng WRED 71

4.5.1. Mô phỏng WRED TSW2CM và TSW3CM 71

a. Cấu hình mô phỏng 72

b. Phương thức thu thập kết quả 72

c. Kết quả 73

d. Nhận xét 78

4.5 So sánh và kết luận chung 80

4.6 Hướng nghiên cứu tiếp theo 81

4.6.1 SNA ToS (System Network Architecture Term of Service 81

4.6.2 QoS VoIP Solution 82

4.6.3 QoS trong streaming video 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Assured Forwarding	Chuyển tiếp đảm bảo
AQM	Active Queue Management	Quản lý hàng đợi động
ARPANET	Advanced Research Projects Agency Network	Mạng trung tâm nghiên cứu cấp cao
CA	Congestion Avoidance	Tránh tắc nghẽn
CAR	Committed Access Rate	Tốc độ truy cập cam kết
CBR	Constant Bit Rate	Tốc độ bit cố định
CBS	Commited Burst Size	Kích thước burst cam kết
CL	Controlled Load	Tải được điều khiển
CIR	Commited Information Rate	Tốc độ thông tin cam kết
CP	Code Point	Điểm mã
CV	Coefficient of Variation	Hệ số biến thiên
DiffServ	Differentiated Service	Dịch vụ khác biệt
DNS	Domain Name System	Hệ thống tên miền
DS	Diffierentiated Service	Dịch vụ khác biệt
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
FCFS	First Come First Server	Vào trước phục vụ trước
FEC	Forward Error Correction	Sửa lỗi trước
FIFO	First In First Out	Hàng đợi theo nguyên tắc vào trước ra trước
FF	Fixed - Filter	Bộ lọc cố định
FTP	File Transport Protocol	Giao thức truyền file
GTS	Generic Traffic Shaping	Sửa dạng lưu lượng
GS	Guaranteed Service	Dịch vụ đảm bảo
HTTP	HyperText Transfer Protocol	Giao thức truyền tải siêu văn bản
IETF	Internet Engineering Task Force	Tổ chức đặc nhiệm kỹ thuật Internet
IntServ	Integrated Service	Dịch vụ tích hợp
IP	Internet Protocol	Giao thức Internet
ISP	Internet Service Provider	Nhà cung cấp dịch vụ Internet
LAN	Local Area Network	Mạng cục bộ
MPLS	Multi protocol lable Switching	Chuyển mạch nhãn đa giao thức
NFSNET	National Science Foundation Network	Mạng Quỹ khoa học Quốc gia
NS	Network Simulator	Bộ mô phỏng mạng

Open Systems Interconection	Mô hình liên kết các hệ thống mở
PCM	Pulse Code Modulation	Điều và giải điều chế mã xung
PHB	Per-Hop Behavior	Hành vi từng chặng
PIR	Peak Information Rate	Ngưỡng tần suất gửi
QoS	Quality of Service	Chất lượng dịch vụ
RED	Random Early Detection; Random Early Drop	Phát hiện sớm ngẫu nhiên Loại bỏ sớm ngẫu nhiên
RFC	Request For Comment	Đề nghị duyệt thảo và bình luận
RSVP	Resource Revervation Protocol	Giao thức dành trước tài nguyên
RTT	Round Trip Time	Thời gian khứ hồi
SS	Slow Start	Khởi động chậm
SE	Shared – Explicit	Chia sẻ rõ ràng
SLA	Service level agreement	Thỏa thuận mức dịch vụ
SMTP	Simple Mail Transfer Protocol	Giao thức truyền thư điện tử đơn giản
TCP	Transmission Control Protocol	Giao thức điều khiển truyền dẫn
TDM	Time Division Multiplexing	Dồn kênh phân chia thời gian
trTCM	two rate Three Color Marking	Đánh dấu 3 màu hai tốc độ
TSW	Time Sliding Window	Cửa sổ trượt theo thời gian
TOS	Type Of Service	Loại dịch vụ
UDP	User Datagram Protocol	Giao thức bản tin người sử dụng
WAN	Wide Area Network	Mạng diện rộng
WF	Wildcard – Filter	Bộ lọc kí tự đại diện
WFQ	Flow-Based Weighted Fair Queuing	Xếp hàng công bằng có trọng số dựa trên luồng
WRED	Weighted RED	RED theo trọng số