Đồ án Vấn đề chất lượng dịch vụ QoS trong mạng IP

Đồ án tốt nghiệp Mục Lục Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp D2001VT i MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .............................................................................. v LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QoS ............................................................ 2 1. 1. Giới thiệu chung ............................................................................ 2 1. 1. 1 Chất lượng dịch vụ của ATM ......................................................... 3 1. 1. 2 Những dịch vụ QoS của hệ điều hành liên mạng Cisco .................... 5 1. 1. 3 Chất lượng dịch vụ (QoS) trên Internet và Intranet ........................... 7 1. 1. 4 Chất lượng dịch vụ trong viễn cảnh ứng dụng .................................. 8 1. 2. Khái niệm ...................................................................................... 9 1. 2. 1 Phân cấp QoS .............................................................................. 11 1. 2. 2 Bảo đảm QoS .............................................................................. 12 1. 2. 3 Các tham số QoS ......................................................................... 14 1. 2. 3. 1 Băng thông ....................................................................... 14 1. 2. 3. 2. Trễ .................................................................................. 15 1. 2. 3. 3. Jitter ................................................................................ 16 1. 2. 3. 4. Loss ................................................................................ 17 1. 2. 3. 5. Độ khả dụng ................................................................... 19 1. 2. 3. 6. Bảo mật ........................................................................... 20 1. 3. Kiến trúc QoS ............................................................................. 21 1. 3. 1 QoS nhận dạng và đánh dấu ......................................................... 22 1. 3. 2 QoS trong một thiết bị mạng ......................................................... 22 1. 3. 2. 1 Quản lý tắc nghẽn ............................................................. 22 1. 3. 2. 2 Quản lý hàng đợi .............................................................. 23 1. 3. 2. 3 Hiệu suất liên kết .............................................................. 23 1. 3. 2. 4 Chính sách và định hình lưu lượng .................................... 23 1. 3. 3 Các mức QoS .............................................................................. 24 1. 4 Bổ xung QoS vào mạng IP ............................................................ 25 1. 4. 1 Các giao thức và thuật toán sử dụng để thêm QoS vào mạng IP ...... 27 1. 4. 1. 1 Tốc độ truy nhập cam kết. ................................................ 27 1. 4. 1. 2 Xếp hàng trên cơ sở lớp .................................................... 27 Đồ án tốt nghiệp Mục Lục Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp D2001VT ii 1. 4. 1. 3 Lớp dịch vụ ...................................................................... 28 1. 4. 1. 4 Các dịch vụ phân biệt ........................................................ 28 1. 4. 1. 5 Quyền ưu tiên IP .............................................................. 28 1. 4. 1. 6 Chuyển mạch nhãn đa giao thức ........................................ 29 1. 4. 1. 7 Xếp hàng theo VC. .......................................................... 29 1. 4. 1. 8 Định tuyến theo chính sách. .............................................. 29 1. 4. 1. 9 Các hàng QoS. ................................................................ 30 1. 4. 1. 10 Loại bỏ sớm ngẫu nhiên. ................................................ 30 1. 4. 1. 11 Giao thức dự trữ tài nguyên ............................................. 30 1. 4. 1. 12 Trường dịch vụ ............................................................... 33 1. 4. 1. 13 Định hình lưu lượng ........................................................ 33 1. 4. 1. 14 Xếp hàng hợp lý theo trọng số ........................................ 33 1. 4. 1. 15 Quản lý băng thông mạng con ......................................... 34 1. 4. 2 Báo hiệu QoS ............................................................................. 35 1. 5. Định tuyến QoS ........................................................................... 35 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC CQS ................................................................. 37 2. 1 Tổng quan về kiến trúc CQS ........................................................ 37 2. 2. Các chức năng của kiến trúc CQS ............................................... 39 2. 2. 1 Định hình lưu lượng ..................................................................... 39 2. 2. 2 Hợp đồng lưu lượng ..................................................................... 41 2. 2. 3 Phân mảnh hàng đợi ..................................................................... 41 2. 3. Đánh dấu và sắp xếp lại ............................................................... 42 2. 4. Các ứng dụng của kiến trúc CQS ................................................ 43 2. 4. 1. Router nguồn .............................................................................. 43 2. 4. 2. Các dịch vụ ứng dụng ................................................................. 45 2. 4. 2. 1 Dịch vụ Best Effort ........................................................... 45 2. 4. 2. 2 Dịch vụ tích hợp IntServ ................................................... 47 2. 4. 2. 3 Dịch vụ DiffServ .............................................................. 51 2. 4. 2. 4 QoS và tunnel ................................................................... 58 2. 4. 2. 5 QoS và MPLS .................................................................. 58 Đồ án tốt nghiệp Mục Lục Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp D2001VT iii CHƯƠNG 3: SCHEDULING ...................................................................... 61 3. 1. Khái niệm .................................................................................... 61 3. 1. 1 Giới thiệu .................................................................................... 61 3. 1. 2. Tốc độ định hình ......................................................................... 61 3. 1. 3 Quyền ưu tiên chặt ....................................................................... 62 3. 2. Lập lịch gói .................................................................................. 63 3. 2. 1 Tổng quan ................................................................................... 63 3. 2. 2 Các thuật toán .............................................................................. 64 3. 2. 2. 1 FIFO ................................................................................ 64 3. 2. 2. 2 Leaky Buckets .................................................................. 65 3. 2. 2. 3 Round-Robin .................................................................... 66 3. 2. 2. 4 Stop-And-Go .................................................................... 67 3. 2. 2. 5 EDD Phí sớm nhất của ngày .............................................. 69 3. 2. 2. 6 RCSP ưu tiên tốc độ điều khiển cố định ............................. 70 3. 2. 2. 7 GPS ................................................................................. 72 3. 2. 2. 8 WFQ ................................................................................ 74 3. 2. 2. 9 Đồng hồ ảo . .................................................................... 77 3. 2. 2. 10 SCFQ Xếp hàng hợp lý tự định giờ .................................. 79 3. 2. 2. 11 WF2Q ............................................................................ 81 3. 2. 2. 12 WF2Q+ ........................................................................... 82 3. 2. 2. 13 Thuật toán trong trường hợp nhiều node ........................... 83 3. 2. 2. 14 Thuật toán lập lịch không lõi ........................................... 84 CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN MẠNG VIỄN THÔNG VIỆT NAM ............................................................................................................ 91 4. 1. Mạng mục tiêu ............................................................................. 91 4. 2. Mạng truyền dẫn ......................................................................... 92 4. 3. Mạng truy nhập ........................................................................... 93 4. 4. Sự phát triển của các mạng lên NGN .......................................... 94 4. 4. 1 Sự hội tụ các mạng....................................................................... 94 4. 4. 2 Sự tiến hoá của các mạng lên NGN ............................................... 94 4. 4. 3 Các chức năng tiến hoá ................................................................ 95 Đồ án tốt nghiệp Mục Lục Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp D2001VT iv 4. 5. Một số dịch vụ bảo đảm QoS trong mạng ................................... 96 4. 5. 1 Sử dụng các giao thức hỗ trợ ........................................................ 96 4. 5. 2 Sử dụng các mô hình dịch vụ ........................................................ 97 4. 5. 2. 1 Dịch vụ IntServ ................................................................ 97 4. 5. 2. 2 Dịch vụ DiffServ .............................................................. 97 4. 5. 3 Đo kiểm và đánh giá QoS trong mạng NGN .................................. 98 KẾT LUẬN ................................................................................................ 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp D2001VT v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ ACLs Access Control Lists Bảng điều khiển truy nhập B BGP4 Border Gateway Protocol version 4 Giao thức cổng biên version 4 C CoS Class of service Lớp dịch vụ CAC Connection Admission Control Điều khiển thu nhận kết nối CAR Committed Access Rate Tốc độ truy nhập được qui định CIR Commited Information Rate Tốc độ thông tin được giao ước CQ Custom Queuing Hàng đợi khách CQS Classification, Queuing, Scheduling Phân loại, hàng đợi, lập lịch CBQ Class-Base Queuing Xếp hàng trên cơ sở lớp CBWFQ Class-Base Weighted Fair Queuing Hàng đợi hợp lý theo trọng số dựa trên cơ sở lớp CSSVC Core-Stateless Shaped Virtual Clock Đồng hồ ảo định dạng không lõi D DiffServ Differentiated Services Dịch vụ phân biệt DSCP Differentiated services codepoint điểm mã dịch vụ phân biệt E EDD Earliest Due Date Phí sớm nhất của ngày EIR Excess Information Rate tỷ lệ thông tin vượt quá F FEC Forward Error-Correcting Code Mã định hướng lỗi đúng FBI Forwarding Information Base Thông tin định hướng cơ sở FIFO First In First Out Vào trước ra trước Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp D2001VT vi FCFS First Come First Served Đến trước, phục vụ trước G GPS Generalized Processor Sharing Phân chia bộ xử lý chung I IntServ Integrated Service Dịch vụ tích hợp ISP Internet Service Provider Cung cấp dịch vụ mạng ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ L LAN Local Area Network Mạng cục bộ M MPLS MultiProtocol LabelSwitching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTU Maximum Transmission Unit Khối truyền dẫn lớn nhất N NP Net Performane Mạng thực thi O OSPF Open Shortest Path First giao thức tìm đường dẫn đầu tiên ngắn nhất P PVC Permanent Virtual Circuit kênh ảo cố định PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại công cộng PQ Priority Queuing Hàng đợi ưu tiên PQ PHB Per-Hop Behavior Xử lý trên từng Hop Q QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ R RED Random Early Detection Phát hiện trước ngẫu nhiên RSVP Resource Reservation Protocol Giao Thức dự trữ tài nguyên RSpec Request Specification Mô tả yêu cầu Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp D2001VT vii RCSP Rate-Contrlled Static Priority Ưu tiên tốc độ điều khiển cố định S SVC Switched Virtual Circuit kênh ảo chuyển mạch SLA Service Level Agreement Thoả thuận mức dịch vụ SNA System Network Architecture Hệ thống kiến trúc mạng SBM Subnet Bandweidth Management Quản lý băng thông mạng con SCFQ Self-Clock Fair Queuing Xếp hàng hợp lý tự định giờ T TSpec Traffic Specification Mô tả lưu lượng TCA Traffic Conditioning Agreement Điều kiện lưu lượng thoả thuận ToS Type of Service Trường dịch vụ U UDP User Datagram Protocol Gói dữ liệu người dùng V VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo W WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WFQ Weighted Fair Queueing Xếp hàng theo trọng số WRED Weighted Early Random Detect Phát hiện sớm ngẫu nhiên theo trọng số WF2Q Worst-Case Fair Weighted Fair Queuing Hàng đợi hợp lý theo trọng số trong trường hợp xấu Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp D2001VT 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay nghành công nghiệp viễn thông đã đạt được những thành tựu to lớn và trở thành một ngành không thể thiếu trong đời sống con người. Nhờ sự phát triển của kỹ thuật số, kỹ thuật phần cứng và các công nghệ phần mềm đã và đang đem lại cho người sử dụng các dịch vụ mới đa dạng và phong phú. Mạng IP và các dịch vụ ứng dụng công nghệ IP với các ưu điểm như tính linh hoạt, khả năng mở rộng dễ dàng và đạt hiệu quả cao … đã và đang dần chiếm ưu thế trên thị trường viễn thông thế giới. Nhiều nghiên cứu về công nghệ IP đã được thực hiện để đưa ra các giải pháp tiến đến một mạng hội tụ toàn IP. Tuy nhiên mạng IP hiện nay mới chỉ là mạng “Best Effort” -một mạng nỗ lực tối đa, mà không hề có bất kì một sự bảo đảm nào về chất lượng dịch vụ của mạng. Đồ án này nghiên cứu về QoS với mong muốn hiểu them về chất lượng dịch vụ trong mạng IP và đưa QoS vào mạng để có được một mạng IP có QoS chứ không chỉ là mạng “Best Effort”. Đồ án gồm bốn chương : • Chương 1. Tổng quan về QoS: Trình bày các khái niệm cơ bản, các tham số QoS, thực trạng QoS trong các mạng viễn thông hiện nay và cách đưa QoS vào trong mạng IP bằng cách sử dụng các giao thức và các thuật toán QoS. • Chương 2. Kiến trúc CQS:trình bày tổng quan về kiến trúc CQS, đặc điểm, khái niệm, các ứng dụng và các dịch vụ mạng của kiến trúc CQS. • Chương 3. Scheduling: Trình bày về bộ lập lịch với các khái niệm các thuật toán và ứng dụng của chương trình lập lịch trong việc điều khiển lưu lượng, điều khiển tắc nghẽn nhằm giăi quyết vấn đề QoS trong mạng IP. • Chương 4. Định hướng phát triển mạng viễn thông Việt Nam: Trình bày mạng Viễn thông trong tương lai và các ứng dụng để đưa chất lượng dịch vụ vào trong mạng tương lai. Em xin chân thành cảm ơn Th. s Nguyễn Văn Đát đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Em xin cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Mạng Viễn Thông I cùng các anh chị trong trung tâm VTN đã cung cấp tài liệu, cảm ơn những góp ý quí báu của các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án này. Ngày 25 tháng 10 năm 2005 Sinh viên: Nguyễn Thị Thu Huyền Đồ án tốt nghiệp Chương 1. Tổng quan về QoS Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp D2001VT 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QoS 1. 1. Giới thiệu chung QoS là chất lượng truyền tải các thông tin trên mạng theo đúng thời gian, kiểm soát băng thông, đặt quyền ưu tiên cho các lưu thông, cung cấp mức độ an toàn cao. QoS còn được kết hợp với khả năng chuyển tải các thông tin phụ thuộc vào trễ (delay sensitive) như video trực tiếp hay âm thanh mà vẫn có đủ băng thông cho các lưu thông khác dù ở tốc độ thấp hơn. Quyền ưu tiên liên quan đến việc đánh dấu một số thông tin để có thể đi qua những mạng đông đúc trước khi những những thông tin khác có độ ưu tiên thấp hơn đi qua. Quyền ưu tiên được gọi là cấp dịch vụ (class of service) hay còn gọi la CoS. Cung cấp QoS đòi hỏi cải tiến cơ sở hạ tầng của mạng. Một kỹ thuật để mở rộng băng thông là tạo các trục chính trên mạng bằng các bộ chuyển mạch ATM hoặc Gigabit Ethernet. Điều này cũng có nghĩa là nâng cấp một mạng cục bộ dùng chung thành một mạng cục bộ chuyển mạch. Hơn nữa, các giao thức mới yêu cầu phải quản trị các quyền ưu tiên lưu thông và băng thông trên mạng. Ví dụ sau đây sẽ mô tả cách thức QoS áp dụng vào thực tế. Giả sử bạn có cơ hội để thiết kế lại hệ thống đường sá trong trung tâm. Hệ thống đường sá hiện thời không bảo đảm bạn có thể đi đến đích đúng giờ, cũng không cung cấp được những mức độ ưu tiên cho các lưu thông đặc biệt, như các xe cấp cứu hoặc có những người sẵn sàng trả tiền để được đi trên các tuyến không tắc nghẽn. Tình huống này cũng tương tự như mô hình truyền dữ liệu “nỗ lực cao nhất” (best-effort) trên Internet, mà các gói được ưu tiên như nhau và phải truyền qua các băng thông có sẵn. Việc đầu tiên là phải xác định cách thức cải tiến chất lượng dịch vụ được cung cấp bởi hệ thống đường sá. Điều này có nghĩa là phải làm giảm hay tránh các chậm trễ, dự báo các loại hình lưu thông, và tạo các thứ tự ưu tiên sao cho một số các lưu thông có thể truyền tải gấp. Một giải pháp hiển nhiên là tăng thêm các tuyến, tương đương việc nâng cao băng thông bằng cách nâng cấp thành mạng ATM hay mạng Gigabit Ethernet. Một giải pháp khác là tạo ra thêm các bộ định tuyến trực tiếp tới nơi đến quan trọng, tương đương việc tạo ra một môi trường mạng chuyển mạch mà các mạch chuyên biệt có thể được thiết lập để nối kết giữa hai hệ thống. Những quy luật không thể tránh khỏi của hệ thống đường sá cũng như các mạng là các đường truyền mới hoặc việc gia tăng băng thông sẽ nhanh chóng được Đồ án tốt nghiệp Chương 1. Tổng quan về QoS Nguyễn Thị Thu Huyền - Lớp D2001VT 3 dùng hết. Trong môi trường mạng, các ứng dụng multimedia sẽ dùng hết băng thông được cung cấp thêm. Nếu mở rộng băng thông, bạn cũng cần phải có các dịch vụ quản lý nó. Đây là lúc các giao thức mạng QoS đóng vai trò của nó. Cũng tương tự như trong hệ thống đường sá, khi bạn đặt một làn xe chuyên dụng chẳng hạn cho những xe cần đi gấp và cho xe buýt. Một làn xe khác được đặt riêng cho người được quyền sử dụng nó chẳng hạn như những làn xe có hình thoi (diamond lanes) có thể được sử dụng bởi những xe với hai hoặc nhiều hành khách hơn. Trên mạng, ta có thể dành riêng một băng thông và chỉ cho phép những người sử dụng được cấp quyền như những người quản lý hoặc như những ứng dụng đặc biệt như hội thảo qua video hoặc như những nghi thức đặc biệt như SNA (System Network Architecture) là những nghi thức mà phải được phân phối trong một khoảng thời gian nhất định để ngăn chặn việc quá thời hạn. Sự cấp quyền nầy giả định là có một người nào đó đang quản lý quyền ưu tiên. Nếu có nhiều người hơn được quyền đi thì kể cả những làn xe hình thoi cũng bị tắt nghẽn. Vì vậy có lẽ bạn muốn thiết lập một vài hình thức điều khiển truy cập khác chẳng hạn như trả tiền sử dụng khi qua cửa thu thuế. Do đó bất cứ ai sẳn sàng trả tiền để được đi trên những làn xe không bị tắc nghẽn sẽ được đi qua những làn xe đó. Nếu việc sử dụng tăng lên thì phí sẽ tăng lên theo. Cuối cùng, hệ thống sẽ cân bằng ít nhất cũng trên lý thuyết. Một vài người có thể truy nhập đến những làn đặc biệt do những mối quan hệ chính trị, việc phục vụ chính phủ hoặc do những uy tín có được qua việc phục vụ cộng đồng. Những người này được xác định và được cấp quyền qua một hệ thống máy tính hóa để điều khiển những chế độ ưu tiên như vậy. Trong môi trường mạng nội bộ, quyền ưu tiên của người sử dụng được thiết lập bởi những nhà quản trị mạng trên máy chủ dựa trên các policy server. Trên Internet, quyền ưu tiên và băng thông được cung cấp trên nền tảng trả tiền để sử dụng. Điều này ngăn cản những ai sử dụng quá nhiều băng thông, nhưng nó đòi hỏi