Các Tham Số Hiệu Năng Chủ Yếu Của Mạng Liên Quan Đến Việc Đảm Bảo Qos

Với những phân tích nêu trên, có thể định nghĩa chất lượng dịch vụ dựa trên hai quan điểm: chất lượng dịch vụ theo quan điểm đánh giá của người sử dụng cuối và chất lượng dịch vụ theo quan điểm mạng. Đối với người sử dụng, chính là sự thỏa mãn về chất lượng dịch vụ người đó nhận được từ nhà cung cấp mạng cho một loại hình dịch vụ hoặc một ứng dụng mà người đó thuê bao. Ví dụ: dịch vụ thoại, video hoặc truyền dữ liệu,... Với quan điểm mạng, thuật ngữ chất lượng dịch vụ là các cơ chế, công cụ đảm bảo cho các mức dịch vụ khác nhau thỏa mãn các tiêu chuẩn như độ tin cậy, tính bảo mật cao, băng thông đủ lớn với thời gian trễ cần thiết cho một ứng dụng đặc biệt nào đó.

Thông thường, mạng thường phải truyền tải nhiều loại gói tin với các yêu cầu về hiệu năng là khác nhau. Có thể loại gói tin đó là rất quan trọng trong dịch vụ này nhưng lại không quá quan trọng trong dịch vụ khác. Vì thế một cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ được triển khai trong một mạng phải xem xét đến sự xung đột các yêu cầu về hiệu năng và cân bằng các yếu tố khác nhau để đạt được sự kết hợp tốt nhất giữa chúng.

1.2.3 Yêu cầu QoS cho truyền thông đa phương tiện

Ban đầu khi xây dựng mạng Internet, yêu cầu chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng chưa được chú trọng. Vì vậy toàn bộ hệ thống mạng Internet bấy giờ hoạt động dựa trên nguyên tắc “cố gắng tối đa” – best effort. Thời kỳ đó, trong các gói tin IP người ta sử dụng 4 bits để mô tả loại dịch vụ và 3 bits để cung cấp khả năng xử lý ưu tiên cho các gói tin. Chúng không đủ để đáp ứng đủ các yêu cầu của hệ thống Internet ngày nay với các dịch vụ phát triển mạnh như âm thanh, hình ảnh, đa phương tiện,… Có rất nhiều vấn đề có thể xảy ra đối với các gói tin khi chúng di chuyển từ nguồn đến đích như:

− Trễ (delay): do routers phải tìm kiếm trong bảng định tuyến, do thời gian gói tin truyền trên đường truyền.

− Biến thiên độ trễ (jitter): chủ yếu do các gói tin phải chờ ở bộ đệm của các router để được chuyển tiếp hoặc phải phát lại do bị mất. Các dữ liệu dạng audio bị ảnh hưởng nhiều bởi vấn đề này.

− Mất gói tin (loss packets): chủ yếu do tắc nghẽn trong mạng.

Chất lượng truyền tải qua mạng sẽ bị ảnh hưởng xấu do tác động của các yếu tố chủ yếu nêu trên.

Từ góc nhìn của các dịch vụ vận chuyển đầu cuối - đầu cuối, tỷ lệ tổn thất gói tin tổng cộng bao gồm tỷ lệ tổn thất trên mạng và tỷ lệ tổn thất do hủy gói tại bộ đệm bên nhận do gói tin đến trễ quá giới hạn chấp nhận được. Độ trễ tổng quát bao gồm trễ truyền qua mạng và trễ bộ đệm, gây nên do thời gian lưu gói tin tại bộ đệm chờ được tái tạo (tại bên nhận). Ngoài tỷ lệ tổn thất gói tin và độ trễ tổng quát, chất lượng tín

hiệu thu nhận còn phụ thuộc vào các chuẩn CODEC, giải thuật bù tổn thất gói tin và các phương thức điều khiển lịch trình tái tạo gói tin của bộ đệm tái tạo tại đầu nhận.

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

1.3.1 Băng thông (bandwidth)

Băng thông biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được giữa hai điểm kết nối hay là số lượng bit trên giây mà mạng sẵn sàng cung cấp cho các ứng dụng. Nếu có băng thông đủ lớn thì các vấn đề như nghẽn mạch, kỹ thuật lập lịch, phân loại, trễ… chúng ta không phải quan tâm, nhưng điều này khó xảy ra vì băng thông của mạng là có hạn. Khi được sử dụng như một tham số của QoS, băng thông là yếu tố tối thiểu mà một ứng dụng cần có để hoạt động được, thí dụ như thoại PCM 64 kb/s cần băng thông là 64 kb/s.

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

a. Độ trễ (delay)

Trễ liên quan chặt chẽ với băng thông. Với các ứng dụng giới hạn băng thông, băng thông càng lớn thì trễ càng nhỏ. Trễ nói ở đây là độ trễ đầu cuối- đầu cuối (end- to-end), là thời gian cần thiết để gửi một gói tin từ nguồn đến đích, nó là tổng độ trễ của việc xử lý gói tin, thời gian gói tin phải xếp hàng chờ được gửi đi tại các router, và thời gian gói tin trên đường truyền.

− Trễ hàng đợi: là thời gian gói tin phải trải qua trong một hàng đợi để được truyền đi trong một liên kết khác, hay thời gian cần thiết phải đợi để thực hiện quyết định định tuyến trong bộ định tuyến. Nó có thể bằng 0 hoặc rất lớn tuỳ thuộc vào số gói tin có trong hàng đợi và tốc độ xử lý.

− Trễ truyền lan: là thời gian cần thiết để môi trường vật lí truyền tín hiệu mang dữ liệu.

− Trễ chuyển tiếp: là thời gian để chuyển gói tin từ một tuyến này sang một tuyến khác, hay thời gian được yêu cầu để xử lí các gói đã đến trong một nút. Ví dụ, thời gian để kiểm tra tiêu đề gói tin và xác định nút tiếp theo để gửi đi.

− Trễ truyền dẫn: là thời gian để truyền tất cả các bít trong gói qua liên kết, trễ truyền được xác định thực tế trên băng thông liên kết.

Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện đòi hỏi độ trễ các gói tin nằm trong khoảng cho phép, được quy định bởi một ngưỡng cụ thể. Các nghiên cứu thực nghiệm cho biết, đối với Interent phone, nếu độ trễ nhỏ hơn 150 ms thì người nghe không nhận biết được độ trễ, nếu độ trễ nằm trong khoảng 150 đến 400 ms thì có thể chấp nhận được, nếu độ trễ vượt quá 400 ms thì cuộc đàm thoại bị hỏng hoàn toàn, vì người nhận sẽ không để ý đến bất kỳ gói tin nào bị trễ hơn ngưỡng nêu trên. Do đó, các gói tin bị trễ hơn ngưỡng cho phép, thực tế được coi là bị mất.

b. Biến thiên độ trễ (Jitter)

Biến thiên độ trễ là sự khác biệt về độ trễ của các gói khác nhau trong cùng một dòng lưu lượng. Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng jitter do sự sai khác trong

thời gian xếp hàng của các gói liên tiếp nhau trong một hàng gây ra. Jitter là yếu tố ảnh hưởng lớn đến QoS của truyền thông đa phương tiện, tỉ lệ nghịch với QoS của truyền thông đa phương tiện.

Trong các ứng dụng truyền thông đa phương tiện như Internet phone hoặc Audio on-demand, jitter có thể được hạn chế bằng cách thực hiện kết hợp ba kỹ thuật: đánh số thứ tự các gói tin (sequence number), gán nhãn thời gian (timestamp) và làm trễ việc chơi (delaying playout). Người gửi đặt một sequence number vào mỗi gói tin và tăng giá trị này lên mỗi khi một gói tin mới được tạo ra, nhờ vậy người nhận có thể dùng sequence number để khôi phục thứ tự đúng của các gói tin nhận được.

Timestamp tương tự như sequence number, người gửi dán tem mỗi gói tin, tem mang thông tin về thời gian mà gói tin đó được sinh ra. Để lấy được thứ tự đúng của các gói tin từ sequence number và timestamp, người nhận cần nhận tất cả các gói tin theo thứ tự. Playout delay được sử dụng cho mục đích này. Playout delay phải đủ dài để nhận được hầu hết các gói tin trước thời điểm chúng được sử dụng. Playout delay được chia làm hai loại: cố định hoặc có thể thay đổi trong thời gian hội thảo.

1.3.3 Tỉ lệ mất mát gói tin

Tỉ lệ mất gói là tỉ số của số lượng gói bị mất trên tổng số gói tin đưa vào mạng trong quá trình truyền. Mất gói tin thường do hai nguyên nhân chính: gói tin bị loại bỏ do mạng bị tắc nghẽn và do bị lỗi trên đường truyền. Với truyền thông đa phương tiện, tỉ lệ mất gói từ 10-20% có thể chấp nhận được, phụ thuộc vào tín hiệu được mã hoá và được che giấu ở phía nhận như thế nào. Tuy nhiên, trong trường hợp tắc nghẽn nghiêm trọng, sự mất mát gói tin vượt quá 20%, tín hiệu ở phía đầu nhận là khó chấp nhận ví dụ như âm thanh bị ngắt quãng, thậm chí không nghe được. Tỉ lệ mất gói tin cao làm tăng độ trễ và jitter.

Truyền thoại rất nhạy cảm với việc mất gói, việc truyền lại gói của TCP thường không phù hợp vì khi phát hiện có sự mất gói tin, thực thể gửi TCP sẽ giảm tốc độ gửi xuống mức tối thiểu, có thể dẫn đến đứt đoạn tiếng nói. Vì thế hầu hết các ứng dụng truyền thông đa phương tiện không chạy trên TCP mà lại sử dụng UDP, trong đó không có các cơ chế điều khiển tắc nghẽn và khắc phục lỗi như trong TCP.

1.3.4 Một số tham số khác:

a. Tính sẵn sàng – độ tin cậy

Để xác định độ ổn định của hệ thống người ta thường xác định độ khả dụng của hệ thống, nhìn từ khía cạnh mạng thì nó chính là độ tin cậy của hệ thống. Độ khả dụng của của mạng càng cao nghĩa là độ tin cậy của mạng càng lớn và độ ổn định của hệ thống càng lớn. Độ khả dụng của mạng thường được tính trên cơ sở thời gian ngừng hoạt động và tổng thời gian hoạt động. Ví dụ, độ khả dụng của các hệ thống chuyển mạch gói hiện nay là 99,995% thì thời gian ngừng hoạt động trong một năm vào khoảng 26 phút.

b. Bảo mật

Bảo mật là một thông số mới trong danh sách QoS, nhưng lại là một thông số quan trọng. Thực tế, trong một số trường hợp độ bảo mật có thể được xét ngay sau băng thông. Gần đây, do sự đe dọa thường xuyên của các hacker và sự lan tràn của virus trên mạng Internet toàn cầu đã làm cho bảo mật trở thành một trong các vấn đề hàng đầu.

Hầu hết các công cụ và chính sách bảo mật đều liên quan tới tính riêng tư, sự tin cậy và xác thực khách và chủ. Các công cụ và chính sách bảo mật thường được gắn với các phương pháp mật mã (gồm cả mã hoá và giải mã). Các phương pháp mật mã cũng được sử dụng trên mạng cho việc xác thực, nhưng các phương pháp này thường không liên quan đến giải mã. Hiện nay, giao thức bảo mật chính thức cho mạng IP là IPSec – IP Security hỗ trợ bảo mật trong thương mại điện tử trên Internet và ngăn ngừa gian lận trong môi trường VoIP.

Một bit trong trường loại dịch vụ (ToS) trong phần tiêu đề gói IP được đặt riêng cho ứng dụng để bảo mật khi chuyển mạch gói. Tuy nhiên, có một vấn đề thực tế là không có sự thống nhất giữa các nhà sản xuất bộ định tuyến khi sử dụng trường ToS.

Người sử dụng và ứng dụng có thể thêm phần bảo mật của riêng mình vào mạng và thực tế cách này đã được thực hiện trong nhiều năm. Nếu có bảo mật thì thường dưới dạng một mật khẩu truy nhập vào mạng. Một thông số QoS bảo mật điển hình hiện nay là "mã hoá và xác thực đòi hỏi trên tất cả các luồng lưu lượng". Vì vậy khi truyền dữ liệu đã được mã hoá, kết nối điện thoại Internet chỉ cần xác thực để ngăn chặn gian lận.

Kết luận chương

Chương I nói về tổng quan chất lượng dịch vụ trong mạng IP. Trình bày khái niệm chất lượng dịch vụ, các tham số của QoS với những đặc tính kỹ thuật của nó. Từ đó kết luận, QoS có thể giúp giải quyết một số vấn đề như: mất gói, jitter, và xử lý trễ. Nhưng một số vấn đề mà QoS không thể giải quyết được như là trễ lan truyền, trễ do mã hóa, giải mã và trễ do số hóa. Điều quan trọng là phải biết phần nào không thể thay đổi và phần nào có thể điều khiển được theo như bảng 1-2 (trích tài liệu: Tiêu chuẩn

G.114 “One-way transmission time”).

Trễ cố định	Trễ thay đổi
Trễ cố định Trễ thay đổi Trễ mã hóa G.729 (5 ms)	5 ms
Trễ mã hóa G.729 (10 ms/frame)	20 ms
Trễ đóng gói bao gồm trong trễ mã hóa
Trễ xếp hàng trên trung kế 64 kbps		6 ms
Trễ chuyển nối tiếp trên trung kế 64 kbps	3ms
Trễ truyền lan (trên các dây riêng)	32ms
Trễ mạng (Vd Frame Relay)
Đệm loại bỏ Jitter		2-200ms
Tổng cộng – Giả sử Jitter Buffer 50 ms	110ms

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 88 trang tài liệu này.

Bảng 1. 1 Thống kê các loại trễ từ đầu cuối đến đầu cuối

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

Chương này trình bày hai mô hình triển khai đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau ở mức liên mạng (IP), đó là: IntServ và DiffServ. Mỗi mô hình sẽ có những đặc điểm riêng để phù hợp với những yêu cầu chức năng IP QoS của các loại dịch vụ như đã trình bày trong chương 1. Trong khi mô hình IntServ đi theo hướng dành trước tài nguyên thì DiffServ thì đi theo hướng phân lớp lưu lượng và đưa ra các ứng xử khác nhau với các lưu lượng khác nhau.

2.1 Mô hình IntServ (Integrated Service)

2.1.1 Tổng quan

Dịch vụ tích hợp đi theo hướng hỗ trợ việc dành trước tài nguyên cho các luồng lưu lượng. Trái ngược với kiến trúc chuyển phát datagram (các gói sẽ đi qua các tuyến khác nhau tại mọi thời điểm chúng được gửi), dịch vụ tích hợp cho phép dành toàn bộ một tuyến cho luồng dữ liệu. Điều này được thực hiện bởi việc thiết lập một tuyến dành trước tài nguyên trước khi gửi dữ liệu.

Thực chất của mô hình này là các bộ định tuyến và các thiết bị mạng phải dành trước tài nguyên của nó để cung cấp các mức chất lượng dịch vụ tùy theo nhu cầu của người sử dụng. Điều này yêu cầu các bộ định tuyến phải có khả năng điều khiển các luồng lưu lượng. Có hai dịch vụ được định nghĩa:

− Dịch vụ có đảm bảo - Guaranteed Service (GS) : GS cung cấp các dịch vụ chất lượng cao như: Dành riêng băng thông, giới hạn độ trễ tối đa và không bị mất gói tin trong hàng đợi. Các ứng dụng có thể kể đến: Hội nghị truyền hình chất lượng cao, thanh toán tài chính thời gian thực,...

− Dịch vụ kiểm soát tải - Controlled Service (CL): CL không đảm bảo về băng thông hay trễ, nhưng khác với các dịch vụ kiểu “Best Effort” ở điểm không giảm chất lượng một cách đáng kể khi tải mạng tăng lên. Dịch vụ này phù hợp cho các ứng dụng không nhạy cảm lắm với độ trễ hay mất gói như truyền hình multicast audio/video chất lượng trung bình.

Trong IntServ, một luồng IP riêng biệt được nhận dạng bởi 5 thông số sau:

− Nhận dạng giao thức

− Địa chỉ IP đích

− Địa chỉ cổng đích

− Địa chỉ IP nguồn

− Địa chỉ cổng nguồn

IntServ sử dụng giao thức RSVP (Resource Reservation Protocol) cho việc đặt trước tài nguyên cho một luồng, bao gồm một mô tả đặc trưng lưu lượng và các yêu cầu dịch vụ. Mô tả lưu lượng bao gồm tốc độ đỉnh, tốc độ trung bình, kích cỡ lưu

lượng bùng phát và các yêu cầu dịch vụ bao gồm băng thông nhỏ nhất được yêu cầu và các yêu cầu hiệu năng khác như trễ, jitter và tỷ lệ mất gói. Nếu có cam kết việc dự phòng, luồng đó được đưa vào bảng dự phòng tài nguyên. Khi gói tin đến, khối nhận dạng luồng sẽ nhận dạng gói tin thuộc về luồng đặt trước và đặt chúng vào trong hàng đợi phù hợp để nhận được dịch vụ yêu cầu.

Trong quá trình truyền từ nguồn tới đích gói tin phải đi qua nhiều chặng. Việc lựa chọn đường dẫn phù hợp cho chặng kế tiếp tại một nút là nhiệm vụ khó khăn do các hạn chế trong định tuyến IP truyền thống. Đường dẫn cần được lựa chọn có thể đã đáp ứng được yêu cầu định ra. Tuy nhiên, định tuyến IP thường sử dụng các số đo như trễ, chặng (hop) hay một số thông số khác để tính toán đường đi ngắn nhất. Do vậy đường dẫn ngắn nhất có thể không có khả năng chấp nhận việc đặt trước tài nguyên trong khi đó đường dẫn dài hơn lại có khả năng đó. Vấn đề định tuyến có thể trở nên phức tạp bởi một số ứng dụng yêu cầu nhiều tham số QoS (ví dụ về băng thông và các yêu cầu về tỉ lệ mất gói tin). Tìm kiếm đường dẫn phù hợp trong nhiều điều kiện ràng buộc rất phức tạp. Chính vì lí do đó mô hình đảm bảo QoS cho gói tin IP đầu tiên này không yêu cầu gắn các cơ chế định tuyến đảm bảo QoS trong kiến trúc IntServ. Kiến trúc này giả sử rằng khối chức năng định tuyến của bộ định tuyến sẽ thực hiện định tuyến từng bước (hop by hop).

2.1.2 Kiến trúc IntServ

Intserv có 4 thành phần, thành phần điều khiển việc chấp nhận luồng mới, thành phần phân loại, lập lịch gói (3 thành phần này cung cấp việc điều khiển lưu lượng) và giao thức dành trước tài nguyên.

Hình 2.1 : Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ

2.1.2.1 Điều khiển chấp nhận

Xử lí hai nhiệm vụ cơ bản là chấp nhận hay từ chối các yêu cầu dành trước tài nguyên và giám sát việc sử dụng tài nguyên. Việc dành trước tài nguyên cho một yêu cầu mới sẽ không thể được chấp nhận nếu không có sẵn tài nguyên theo yêu cầu. Có

hai hướng tiếp cận để giải quyết xem tài nguyên nào là sẵn sàng đó là dựa theo đo đạc và dựa theo tham số.

− Trong hướng tiếp cận dựa theo tham số, điều khiển chấp nhận sẽ tính toán các nguồn tài nguyên khả dụng dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật và yêu cầu dành trước tài nguyên hiện tại.

− Trong hướng tiếp cận theo đo đạc, điều khiển chấp nhận đo lưu lượng thực sự trong mạng và sử dụng các phương pháp thống kê để quyết định xem tài nguyên nào khả dụng. Hướng tiếp cận này có ưu điểm là tối ưu hoá việc sử dụng mạng, mặc dù không đảm bảo chặt chẽ các cam kết tài nguyên.

2.1.2.2 Nhận dạng luồng

RSVP sử dụng 5 trường trong tiêu đề trong gói tin IP để nhận dạng gói tin thuộc về các luồng dành trước tài nguyên trong nút. Các trường này bao gồm địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, định danh giao thức, cổng nguồn và đích.

2.1.2.3 Lập lịch gói

Là bước cuối cùng trong việc dành trước tài nguyên. Bộ lập lịch gói tin thực hiện việc cấp phát tài nguyên. Nó quyết định gói tin nào sẽ gửi kế tiếp khi tuyến kết nối đi đã sẵn sàng. Do đó nó tác động đến trễ mà gói tin phải chịu trong bộ định tuyến và bộ định tuyến không trực tiếp loại bỏ gói tin.

2.1.2.4 Các dịch vụ của IntServ

Mô hình dịch vụ IntServ có thể sử dụng giao thức báo hiệu RSVP cung cấp nhiều loại hình dịch vụ khác nhau.

− Guaranteed Rate Service: loại hình này cho phép dành sẵn độ rộng băng thông để phù hợp với những yêu cầu của chúng. Ví dụ ứng dụng VoIP có thể dành 32 Mbps từ đầu cuối đến đầu cuối sử dụng loại hình dịch vụ này. QoS sử dụng xếp hàng cân bằng trọng số (WFQ) kết hợp với giao thức dành sẵn tài nguyên (RSVP) để cung cấp loại hình dịch vụ này.

− Controlled Load Service: loại hình này cho phép các ứng dụng có độ trễ thấp và tốc độ lưu lượng cao thậm trí ngay cả khi tắc nghẽn. Ví dụ các ứng dụng không nhạy cảm với thời gian thực như khi phát lại băng ghi âm cuộc hội thoại có thể sử dụng loại hình dịch vụ này. QoS sử dụng RSVP kết hợp với Weighted Random early Detect (WRED) cung cấp loại hình dịch vụ này.

2.1.3 Giao thức dành trước tài nguyên - RSVP

2.1.3.1 Tổng quan

RSVP được định nghĩa trong chuẩn RFC 2205. RSVP là một giao thức thiết lập dành riêng cho IP QoS. Nó hỗ trợ cả IPv4 và IPv6 và thích hợp cho cả multicast và unicast IP. Trong RSVP, tài nguyên được dành riêng cho mỗi một định hướng cụ thể.

Các trạm nguồn và đích trao đổi bản tin RSVP để thành lập phân lớp dịch vụ và trạng thái chuyển tiếp tại mỗi nút. Nguồn khởi tạo yêu cầu dành riêng nhưng việc xác