Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS)

[Tín Phan]

1. Mô hình tích hợp dịch vụ IntServ

Mô hình IntServ phát triển vào giữa thập niên 1990, mô hình này là nỗ lực đầu tiên trong việc cung cấp QoS toàn diện, điều mà được các ứng dụng thời gian thực mong đợi. IntServ dựa trên cách ra hiệu tường minh và quản lý/dành riêng tài nguyên mạng cho những ứng dụng cần nó và yêu cầu nó. IntServ thường được gọi là QoS Cứng (Hard-QoS), vì QoS Cứng đảm bảo những đặc tính như băng thông, độ trễ và mất mát gói tin ở mức độ chấp nhận được, vì vậy nó cung ứng một mức độ dịch vụ có thể dự báo từ trước. Giao thức dành trước tài nguyên (Resource Reservation Protocol - RSVP) là giao thức tạo tín hiệu mà mô hình này sử dụng. Khi ứng dụng yêu cầu được cấp băng thông dành riêng thì nó phải chờ cho RSVP truyền tín hiệu dọc theo đường dẫn từ nguồn tới đích, từng bước nhảy (hop) một và yêu cầu dành riêng băng thông cho luồng ứng dụng. Nếu như nỗ lực dành riêng tài nguyên của RSVP thành công, ứng dụng sẽ bắt đầu vận hành. Trong khi ứng dụng đang hoạt động, dọc theo con đường đã tạo từ trước, router cung cấp băng thông mà chúng đã dành riêng cho ứng dụng. Nếu RSVP thất bại trong việc dành riêng băng thông từng hop một từ điểm nguồn tới điểm đích, thì ứng dụng không thể thi hành được.

Để thực hiện thành công IntServ và hỗ trợ cho cả RSVP, thì nên chạy các chức năng hay hàm trên router hay switch trong hệ thống mạng bên dưới.

· Trạm thu nhận (Admission control) – Trạm thu nhận trả lời các yêu cầu của ứng dụng cho các tài nguyên. Nếu tài nguyên không được cung ứng mà không ảnh hưởng đến các ứng dụng hiện có, thì yêu cầu đó bị loại bỏ.

· Phân lớp (Classification) – traffic thuộc một ứng dụng thực hiện việc dành riêng tài nguyên cần được phân lớp và được nhận diện bởi các router trung chuyển để chúng có thể đưa ra các dịch vụ phù hợp cho các gói tin đó.

· Lập chính sách (Policing) – Là việc đánh giá và theo dõi ứng dụng không được phép vượt quá mức sử dụng tài nguyên đã thiết lập từ trước. Các tham số tốc độ và khối dữ liệu (burst) được dùng để đánh giá hành vi của một ứng dụng. Tùy thuộc vào việc ứng dụng vượt quá mức sử dụng tài nguyên đã thỏa thuận từ trước, những hành động thích hợp sẽ được thi hành.

· Hàng đợi (Queuing) – Có nhiều kỹ thuật hàng đợi dùng để lưu và chuyển tiếp các gói tin theo những cách riêng biệt nhau.

· Lập lịch (Scheduling) – Lập lịch làm việc kết hợp với hàng đợi. Nếu như có nhiều hàng đợi trên cung một interface, tổng lượng dữ liệu bị loại khỏi hàng đợi và chuyển tiếp trên mỗi hàng trong mỗi chu kỳ, thì khi đó sự quan tâm tương đối mà mỗi hàng đợi có, được gọi là thuật toán lập lịch. Việc lịch bị buộc phải dựa trên các kỹ thuật hàng đợi được cấu hình trên interface của router.

Khi IntServ được triển khai, các luồng ứng dụng được xác nhận cho đến khi các yêu cầu tài nguyên không còn được cung cấp thêm nữa. Bất kỳ ứng dụng mới nào cũng không thể chạy được vì các yêu cầu RSVP cho tài nguyên đã bị từ chối. Trong mô hình này, RSVP tạo ra các yêu cầu QoS cho từng luồng. Những yêu cầu này bao hàm cả việc định danh thiết bị đưa ra yêu cầu (requestor), đồng thời được gọi là người dùng được ủy quyền (authorized user) hay đối tượng ủy quyền và “policy traffic” cần thiết cũng được gọi là đối tượng “policy”. Để cho phép tất cả các router trung gian giữa máy nguồn và máy đích để xác định mỗi luồng, RSVP cung cấp các thông số của luồng như là địa chỉ IP và số cổng (port).

Hình 1: Mô hình mạng IntServ

1.1. Giao thức dành trước tài nguyên RSVP

Giao thức dành trước tài nguyên RSVP là một giao thức thiết lập tài nguyên dự phòng QoS IP, RSVP hỗ trợ cả IPv4 và IPv6 cũng như ứng dụng cho cả hai phương thức chuyển phát tin đơn hướng và đa hướng (Unicast và multicast).

Trong giao thức dành trước tài nguyên RSVP, các nguồn tài nguyên được dành trước theo các hướng độc lập. Máy chủ nguồn và máy chủ đích trao đổi các bản tin RSVP để thiết lập các trạng thái chuyển tiếp và phân loại gói tại mỗi nút.

RSVP không phải là giao thức định tuyến mà là giao thức báo hiệu, các bản tin RSVP được chuyển đi trên cùng đường dẫn với các gói tin sẽ được chuyển và được xác định bởi bảng định tuyến trong bộ định tuyến IP.Các máy chủ sử dụng giao thức RSVP để yêu cầu QoS của mạng cho các luồng lưu lượng thực tế. Các bộ định tuyến sử dụng RSVP để tạo ra các yêu cầu QoS cho toàn bộ các bộ định tuyến dọc theo tuyến đường gói tin chuyển qua mạng. Giao thức RSVP cũng sử dụng để duy trì và làm tươi trạng thái cho luồng ứng dụng yêu cầu QoS.

Một số đặc tính cơ bản của giao thức dành trước tài nguyên RSVP được liệt kê dưới đây:

· RSVP là giao thức báo hiệu để dành trước tài nguyên trong đường dẫn từng nguồn tới đích.

· RSVP báo hiệu tới tất cả các thiết bị mạng về yêu cầu QoS của ứng dụng.

· RSVP yêu cầu các ứng dụng khởi tạo yêu cầu.

RSVP hoạt động liên điều hành với các kỹ thuật QoS khác để cải thiện độ đảm bảo cho các tài nguyên dành trước.

Giao thức dành trước tài nguyên RSVP thường được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu đảm bảo các tham số băng thông và độ trễ. Các ứng dụng mạng hiện nay sử dụng RSVP như là giao thức báo hiệu gồm các ứng dụng cho VoIP và kỹ thuật lưu lượng MPLS (Multiprotocol Label Switching).

RSVP được phát triển để chống lại tắc nghẽn mạng bằng cách cho phép các bộ định tuyến được quyết định ở mức cao. Tại mức này các bộ định tuyến có thể đáp ứng các yêu cầu của một luồng ứng dụng và dự trữ tài nguyên mong muốn ngay cả khi mặt bằng chuyển tiếp gói không xử lý được. Mô hình báo hiệu RSVP được dựa trên xử lý đặc biệt kiểu đa phương, mang bản tin báo hiệu tới các nút dọc tuyến đường qua mạng theo luồng thực tế, quản lý trạng thái mềm, trao đổi bản tin, dự phòng tài nguyên và tách báo hiệu QoS khỏi chức năng định tuyến.

1.2. Hoạt động của RSVP

Một phiên làm việc của giao thức dành trước tài nguyên RSVP thường sử dụng 3 tham số sau:

· Địa chỉ đích

· Nhận dạng giao thức

· Địa chỉ cổng đích

Hình dưới đây chỉ ra nguyên lý hoạt động của RSVP. Máy chủ nguồn gửi bản tin Path tới đích cho một luồng dữ liệu hay còn gọi là một phiên truyền thông. Bản tin Path chứa các đặc tính cho luồng dữ liệu sẽ được gửi, bản tin Path đi qua các bộ định tuyến trên đường dẫn tới đích. Các bộ định tuyến trên tuyến đăng ký nhận dạng luồng và các đặc tính luồng vào cơ sở dữ liệu. Bản tin Resv được phát ngược từ máy chủ nhận về máy chủ gửi nhằm xác nhận và chỉnh sửa các thông tin yêu cầu đã được gửi đi trong bản tin Path, đây là các thông tin về dự phòng tài nguyên cho đường dẫn mà gói tin sẽ được chuyển qua.

Hình 2: Nguyên lý hoạt động của RSVP

RSVP giữ trạng thái mềm các tài nguyên trong các bộ định tuyến. Trạng thái mềm này được cung cấp động theo các thông tin từ các thành viên trong phiên làm việc, tương thích với sự thay đổi định tuyến và các yêu cầu thay đổi tài nguyên của các luồng lưu lượng trong phiên. Thời gian làm tươi định kỳ thông thường là 30s.
Các kiểu bản tin của RSVP :

• Path - Sử dụng để yêu cầu tài nguyên dành trước.
• Resv - Gửi đáp ứng bản tin đường để thiết lập và duy trì dự trữ tài nguyên.
• PathTear - Sử dụng để xoá dự trữ tài nguyên khỏi mạng theo hướng đi.
• ResvTear - Sử dụng để xoá bỏ tài nguyên khỏi mạng theo hướng về.
• PathErr – Thông báo lỗi bản tin Path.
• ResvErr - Thông báo lỗi bản tin Resv .
• ResvConf – Là một bản tin tuỳ chọn, gửi ngược lại tới phía gửi của bản tin Resv
• Để xác nhận rằng tài nguyên dự trữ xác định thực sự đã được cài đặt.
• ResvTearConf - Sử dụng để xác nhận dự trữ tài nguyên xác định đã bị xoá khỏi mạng.

Nội dung các bản tin RSPV:

• Mô tả luồng: Mô tả phiên, đặc tính lưu lượng và xử lí luồng. Phần tử mô tả luồng bao gồm hai phần tử là đặc tính lọc (Filter spec) và đặc tính luồng dữ liệu (Flow spec).
• Filter spec: Bằng cách nào đó các nút này có thể lọc ra các gói này từ tất cả các gói tin đi đến m i nút.
• Flow spec: Chỉ ra các nút trong mạng cần gì ? Xử lý luồng dữ liệu như thế nào ? Đặc tính luồng dữ liệu bao gồm 2 loại dịch vụ: Rspec, Tspec
• Rspec (Reservation Specicaition): Đặc tính kỹ thuật giữ trước tài nguyên cùng với loại dịch vụ chỉ ra các xử lý các nút hỗ trợ cho luồng dữ liệu hay nói cách khác Rspec và loại dịch vụ giải quyết các vấn đề liên quan đến QoS.
• Tspec (Trafic Specication): Đặc tính kỹ thuật lưu lượng chứa các tham số mô tả luồng dữ liệu mà ứng dụng sắp gửi.

1.3. Ưu, nhược

Mô hình IntServ trên là sự thay thế tốt cho mô hình IP truyền thống (vốn chỉ cung cấp loại dịch vụ “nỗ lực tối đa”) nếu xét trên phương diện hỗ trợ QoS. Tuy nhiên IntServ dựa trên IP vẫn là một mô hình khó thực hiện trong thực tế vì những lý do sau:

• IntServ dựa trên phương thức thiết lập chuyển mạch ảo do đó nó là mô hình sử dụng giao thức chuyển gói hướng kết nối. Trong khi mô hình TCP/IP dùng phương thức không hướng kết nối (sử dụng TCP để chuyển gói đảm bảo). Do đó việc thiết kế mạng có nhiều khó khăn.
• IntServ cho phép tích hợp nhiều loại dịch vụ trên cùng một mạch ảo do đó nó sử dụng phương thức định tuyến theo luồng (Per Flow Routing) nhằm thiết lập mạch ảo riêng cho đầu cuối (đầu cuối có thể truyền nhiều lọai dịch vụ khác nhau) với yêu cầu riêng về băng thông cho từng luồng. Sau đó dùng kỹ thuật hàng đợi thích hợp giúp phân biệt các gói dịch vụ tương ứng trong luồng dữ liệu đó. Ngoài việc phải mở rộng giao thức định tuyến (nhằm quảng bá các đặc tính dịch vụ) thì việc sử dụng các kỹ thuật hàng đợi thiết kế riêng cho việc phân biệt luồng như FQ, WFQ thường khó có thể sử dụng vào thực tế do hạn chế về tính năng và tốc độ (xem phần hàng đợi trong kỹ thuật lưu lượng) .
• Điểm yếu lớn nhất của việc thực thi IntServ trên mạng IP là khả năng mở rộng khó khăn do mỗi luồng dữ liệu đòi hỏi quá trình xử lý riêng biệt và phải được dùy trì liên tục do sử dụng RSVP.

Do đó mặc dù còn chưa giải quyết được những khó khăn như vấn đề mở rộng và tương thích với mạng IP truyền thống nhưng trước khi ra đời MPLS thì ATM vẫn là sự lựa chọn tốt nhất để nhằm hỗ trợ QoS.

2. Mô hình Differentiated Services (Diffserv)

Differentiated Services (DiffServ) là mô hình mới nhất trong ba mô hình của QoS và việc phát triển nó nhằm mục đích là giải quyết được những giới hạn của các mô hình trước đó. DiffServ không phải là một mô hình có thể đảm bảo hoàn toàn QoS cho ứng dụng, nhưng nó là mô hình có khả năng mở rộng rất cao. Trong khi IntServ được gọi là mô hình “Hard QoS” thì DiffServ được gọi là mô hình “Soft QoS”.
DiffServ không sử dụng tín hiệu, nó dựa trên hành vi của từng hop (per-hop behavior - PHB). PHB có nghĩa là mỗi hop trong mạng lưới phải được lập trình trước để cung ứng một loại dịch vụ nhất định cho mỗi lớp traffic. PHB sau đó không cần tín hiệu trong khi traffic được đánh dấu để xác định là một trong các lớp traffic mà nó chờ đợi. Mô hình này có tính mở rộng hơn IntServ bởi vì theo dõi tín hiệu và trạng thái cho mỗi luồng là không cần thiết. Mỗi nút (hop) được chuẩn bị trước để làm việc với nhiều lớp traffic khác nhau. Điều này có nghĩa là nếu có hàng ngàn luồng cùng hoạt động thì chúng vẫn được phân vào một trong các lớp đã được định nghĩa từ trước và mỗi luồng sẽ nhận một cấp độ dịch vụ phù hợp với lớp đó. Số lượng các lớp và cấp độ dịch vụ mà mỗi lớp traffic sẽ nhận và được định đoạt dựa trên các yêu cầu kinh doanh của doanh nghiệp.
Trong mô hình DiffServ, traffic được phân lớp và đánh dấu lần đầu. Khi các luồng traffic được đánh dấu trong suốt các nút mạng, kiểu dịch vụ nó nhận được tùy thuộc vào cách đánh dấu nó. DiffServ có thể bảo vệ mạng khỏi việc đăng ký trước quá nhiều bằng cách sử dụng các kỹ thuật lập chính sách và trạm thu nhận.
Sau đây là ba điểm chính yếu của mô hình DiffServ:
• Traffic mạng được phân lớp.
• Các chính sách QoS áp đặt các cách ứng xử phân biệt lên các lớp traffic được định nghĩa từ trước.
• Các lớp traffic và chính sách được định nghĩa dựa trên các yêu cầu kinh doanh; người quản trị sẽ lựa chọn cấp độ dịch vụ cho mỗi lớp traffic.
Ưu điểm chính của mô hình DiffServ là tính mở rộng. Ưu điểm thứ hai là nó cung cấp một khung sườn linh động để định nghĩa nhiều lớp dịch vụ như các nhu cầu đòi hỏi trong kinh doanh. Hạn chế chính của mô hình DiffServ là nó không cung cấp một mức độ dịch vụ đảm bảo tuyệt đối. Đó là lý do mà nó được gọi là “Soft QoS”. Hạn chế khác của mô hình này là một vài kỹ thuật phức tạp phải được cài đặt ổn định trên tất cả các thành tố của mạng cho mô hình để có thể đạt được kết quả mong muốn.

2.1. IP precedence và DSCP

IP precedence có 3 bit do đó có 8 thiết đặt khác nhau. Nếu giá trị IP precedence lớn thì gói tin có mức quan trọng cao và xác xuất chuyển tiếp gói tin sẽ cao hơn.

Hình 3: Byte ToS của IP Header và khung DSCP

Định nghĩa lại byte ToS là trường Differentiated Services (DiffServ), với sáu bit cao được gọi là DSCP, cung cấp tính linh động và khả năng nhiều hơn cho các nỗ lực QoS IP mới. Hai bit thấp của trường DiffServ được dùng để điều khiển luồng và được gọi là các bit ECN (explicit congestion notification). DSCP tương thích ngược với IP Precedence (IPP), cung cấp cơ hội cho việc triển khai QoS dựa trên DSCP trong mạng IP.

2.2. Xử lý từng chặng PHB (Per-hop Behavior)

Kiến trúc DiffServ định nghĩa đối xử từng chặn PHB cho việc xử lý chuyển tiếp gói tin tại mỗi node mạng áp dụng một tập hợp đối xử BA. Nó mô tả các đặc tính về chất lượng dịch vụ như độ trễ, độ trượt hay mất gói của gói tin khi đi qua node dịch vụ DiffServ.

Các node dịch vụ DiffServ sẽ ánh xạ các gói tin đến các chặn PHB tương ứng với các giá trị DSCP của nó. Bảng dưới biểu diễn việc ánh xạ giữa PHB và DSCP. DiffServ không hoàn toàn có chức năng ánh xạ PHB đến DSCP mà nó chỉ thực hiện công việc này khi được yêu cầu. Các nhóm PHB là thành phần của các đặc tính DiffServ đó là: xúc tiến đẩy gói (Expecdited Forwarding), đảm bảo đẩy gói (Assured Forwarding), chọn lớp (Class Selector) và mặc định (Default). Một node chuyển mạch có thể được hỗ trợ nhiều nhóm PHB tương tự nhau. Các node thực thi các nhóm PHB này sẽ sử dụng cơ chế đệm và lập lịch gói tin.