Thạc Sĩ Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng ip

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong xu hướng 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 lượng dịch vụ. Đối với nhà khai thác mạng nâng cao chất lượng 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 được 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 lượng 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 nước trong khu vực còn chưa thật sự ổn định, vẫn còn nhiều hiện tượng nghẽn mạng hay tốc độ truy cập mạng còn thấp. Ngoài biên pháp cải thiện băng thông (rất tốn kém), chưa thể đáp ứng ngay thì chúng ta cần phải cải thiện chất lượng dịch vụ theo một số hướng khác. Bản luận văn này tìm hiểu về QoS trong mạng IP và một số giải pháp nâng cao QoS phổ biến đang được áp dụng.
Được sự hướng 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 lượng 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:
Chương 1: Chất lượng dịch vụ trong mạng Viễn thông.

Chương 2: Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP. Chương 3: Chất lượng dịch vụ trong mạng IP.
Chương 4: Chất lượng dịch vụ trong mạng ATM.

Chương 5: QOS trong giao thức chuyển mạch nhãn MPLS.



CHưƠNG I:

CHẤT LưỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG

N hập đề :

Trong những năm gần đây, tầm quan trọng của các công nghệ về chất lượng dịch vụ (QoS) đối với các mạng truyền thông đã tăng lên đáng kể, đặc biệt là trong các mạng chuyển mạch gói. Trước 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 trước đây, đã được 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 được tiếp tục sử dụng cho một cuộc gói khác. Có thể đưa ra hai phép đo chính đối với chất lượng dịch vụ trong mạng điện thoại, thứ nhất là tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công và thứ hai là chất lượng các cuộc gọi, những vấn đề này sẽ chịu ảnh hưởng bởi dung lượng truyền dẫn trung kế của mạng và các vấn đề như lỗi đường truyền hay nhiễn mạch.
Với đặc tính như vậy, mạng điện thoại đã được 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 ưu mạng để giảm tối đa những vấn đề như suy hao, nhiễu, vọng và trễ. Thoại là một loại dịch vụ thời gian thực và nó không cần hàng đợi để lưu trữ tín hiệu âm thanh.
Mạng IP ra đời có rất nhiều điểm khác so với mạng điện thoại. Thứ nhất mạng IP được 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 được lưu lại trong mạng và truyền đi sau, khi dữ liệu truyền đi bị lỗi nó có thể được truyền lại. Các dịch vụ truyền dữ liệu còn được gọi là dịch vụ “lưu và chuyển tiếp”. Mô hình hoạt động của mạng IP như vậy sẽ được gọi là best-effort.
Việc thiết kế các mạng khác nhau sẽ tạo ra những vấn đề như kinh phí đầu tư 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 đưa ra một ý tưởng là tạo ra một mạng duy nhất dựa trên chuyển mạch gói để truyền tải cả âm thanh và dữ liệu. Và mạng này thường được gọi mà mạng thế hệ mới Next-Generation-Network. Mạng này được thiết kế chủ yế dựa trên nền mạng IP, nhưng những nhược điểm của mô hình best-effort của mạng IP không phù hợp với các loại dịch vụ âm thanh, hình ảnh, đa phương tiện cần thời gian thực. Để khắc phục những hạn chế này, các mô hình chất lượng 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 như khả năng cung cấp các loại dịch vụ khác nhau trên cùng một hạ tầng mạng.



Những nghiên cứu dưới đây sẽ đi vào những vấn đề mà mạng IP cần quan tâm đề đảm bảo chất lượng dịch vụ.
1.1 Khái niệm về chất lượng dịch vụ

Chất lượng 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 lượng dịch vụ khác nhau. Ví dụ như với người sử dụng dịch vụ thoại chất lượng dịch vụ cung cấp tốt khi thoại được rõ ràng, tức là chúng ta phải đảm bảo tốt về giá trị tham số trễ, biến động trễ. Nhưng giá trị tham số mất gói thông tin về một tỉ lệ tổn thất nào đó có thể chấp nhận được. Nhưng giả dụ, đối với khách hàng là người 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, nhưng thông số mất gói, độ bảo mật kém thì họ không thể chấp nhận được .v.v
Từ góc nhìn của nhà cung cấp dịch vụ mạng. Nhà cung cấp dịch vụ mạng đảm bảo QoS cung cấp cho người sử dụng, và thực hiện các biện pháp để duy trì mức QoS khi điều kiện mạng bị thay đổi vì các nguyên nhân như nghẽn, hỏng hóc thiết bị hay lỗi liên kết, v v. QoS cần được cung cấp cho mỗi ứng.
Chất lượng dịch vụ chỉ có thể được xác định bởi người sử dụng, vì chỉ người sử dụng mới có thể biết được chính xác ứng dụng của mình cần gì để hoạt động tốt. Tuy nhiên, không phải người sử dụng tự động biết được mạng cần phải cung cấp những gì cần thiết cho ứng dụng, họ phải tìm hiểu các thông tin cung cấp từ người quản trị mạng và chắc chắn rằng, mạng không thể tự động đặt ra QoS cần thiết cho một ứng dụng của người 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 được tối ưu hoàn toàn cho một loại dịch vụ, thì người sử dụng ít phải xác định chi tiết các thông số QoS. Ví dụ, với mạng PSTN, được tối ưu cho thoại, không cần phải xác định băng thông hay trễ cần cho một cuộc gọi. Tất cả các cuộc gọi đều được đảm bảo QoS như đã được 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 như: Servers, PC ).

- Các bộ định tuyến và các thiết bị chuyển mạch.

- Đường truyền dẫn.

Nếu nhìn từ khía cạnh thương mại:

- Băng thông, độ trễ, jitter, mất gói, tính sẵn sàng và bảo mật đều được coi là tài nguyên của mạng. Do đó với người dùng cụ thể phải được 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



sách ứng dụng đảm bảo.

Vậy sự định nghĩa chính xác QoS là rất khó khăn nhưng ta có thể hiểu chúng gần như là khả năng cung cấp dịch vụ (ở lớp phần tử mạng, vvv .) đưa 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 lưu lượng. Sự định nghĩa khuôn dạng của nó kết thành chất lượng dịch vụ của lớp mạng do sự phân phát chất lượng 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.


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
CHưƠNG I: 13
CHẤT LưỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG 13
Nhập đề: 13
1.1 Khái niệm về chất lượng 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 lượng dịch vụ 32
Kết luận chương . 34
CHưƠNG II: . 35
CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LưỢNG DỊCH VỤ 35
Nhập đề: 35
2.1 Kỹ thuật đo lưu lượng và mầu hóa lưu lượng 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 chương . 51
CHưƠNG 3: 52



CHẤT LưỢNG 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 chương . 68
CHưƠNG IV: 69
CHẤT LưỢNG 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 chương: 80
CHưƠNG 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 chương . 91



KẾT LUẬN VÀ HưỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN . 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93
PHỤ LỤC