Khóa luận Đánh giá hiệu quả đảm bảo qos cho truyền thông đa phương tiện của chiến lược quản lý hàng đợi wred

1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AF 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 8 OSI 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 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: FTP truyền file giữa các hệ thống..................................................................19 Hình 2.1 : Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ .................................................................30 Hình 2.2 Hoạt động của RSVP ......................................................................................32 Hình 2.3 Các ống chia sẻ được dành riêng ....................................................................33 Hình 2.4 Các bước của DiffServ ...................................................................................34 Hình 2.5 Miền IP ............................................................................................................35 Hình 2.6 Một miền DS và các mạng con .......................................................................35 Hình 2.7 Miền DiffServ .................................................................................................36 Hình 2.8 Vùng DS ...........................................................................................................36 Hình 2.9 Trường DS........................................................................................................38 Hình 2.10 Ví dụ về cài đặt EF ........................................................................................40 Hình 2.11 Ví dụ về DiffServ...........................................................................................42 Hình 3. 1 Thuật toán RED .............................................................................................46 Hình 3. 2 Giải thuật chi tiết của RED ............................................................................48 Hình 3. 3 Cơ chế làm việc của WRED được minh hoạ trong hình vẽ trên..................53 Hình 3. 4 Vị trí router lõi và biên trong miền DiffServ ................................................55 Hình 3. 5 Sơ đồ khối của CAR .......................................................................................58 Hình 3. 6 Lưu đồ thuật toán CAR được minh họa họa ở hình trên ..............................59 Hình 3. 7 Mô hình chiếc thùng và thẻ bài ......................................................................60 Hình 3. 8 Sơ đồ các khối chức năng của GTS ...............................................................61 Hình 4.1 Cấu trúc mô phỏng...........................................................................................64 Hình 4. 2 Tỉ lệ packet bị mất của DropTail và RED.....................................................66 Hình 4. 3 Kích thước hàng đợi của DropTail và RED..................................................67 Hình 4. 4 Thông lượng của DropTail và RED...............................................................67