Chương 1 đ ã giới thiệu các kiến trúc mạng cho phép cải thiện chất lượng dịch vụ và nêu bật được ý nghĩa của việc điều khiển tắc nghẽn.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page 11 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC CQS TRONG ROUTER 2.1 Vấn đề định tuyến trong mạng IP Bất kì một mạng nào cũng đều được xây dựng trên cơ sở phân cấp thành các thành phần mạng và bất kì một đường dẫn nào từ điểm này đến điểm khác đều là chuỗi móc nối các đường dẫn ngắn nhất tại cùng một mức. Định tuyến là quá trình tìm đường đi từ một điểm này (nguồn) đến một điểm cho trước(đích). Nguồn và đích ở đay có thể là một máy tính, máy fax, hay nói chung là bất kỳ một thiết bị nào tham gia vào quá trình vận chuyển và truyền nhận thông tin trong mạng.Định tuyến đảm bảo cho thông tin được truyền đi trên mạng tới được đích cần đến của nó. Qúa trình này phải được thực hiện theo một tiêu chí nhất định được một đường đi tối ưu (chẳng hạn như đường đi ngắn nhất).
Thiết bị thực hiện việc định tuyến đó là router (hay bộ định tuyến). Trong mỗ bộ định tuyến sẽ có một bảng định tuyến để ghi lại trạng thái của mạng và các thông tin đồ hình mạng để từ đó router quyết định chon đường đi tối ưu nhất theo tiêu chí đã định trước. Còn thông tin về địa chỉ sẽ được ghi trong tiêu đề gói tin. Ngoại ra , nếu kích thước của gói tin vượt quá so với MTU( maximum transfer unit- kích thước truyền tối đa) của mạng thì các gói tin sẽ được phân ra thành các gói nhỏ rồi mới truyền.1 sau đây biểu diễn một quá trình truyền tin được thực hiện trong mạng từ một máy tính X đến một máy tính Y thông qua các router.
Mô hình phân lớp ở dưới biểu diễn quá trình truyền gói tin trong các lớp theo mô hình OSI.1: Quá trình truyền tin trong mạng 2.2 Cấu trúc và chức năng của Router.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page 12 2.1 Cấu trúc của Router. Mục đích của Router là để chuyển các gói tin trong mạng tùy theo địa chỉ IP trong phần tiêu đề của gói. Đây cũng là yêu cầu cung cấp các tính năng để các router định tuyến và truyền các gói tốt hơn. Một router thông thường có khối chức năng cơ bản sau - Khối đa giao diện - Khối chuyển tiếp - Khối quản lý Hình 2.2 – Cấu trúc chung của Router + Giao diện vào: Nhận các gói đến từ các router khác hoặc từ các nguồn khác trên mạng.
+ Khối chuyển tiếp: chuyển các gói tới giao diện đầu ra phù hợp (trên cơ sở địa chỉ IP). Khối chuyển tiếp dựa vào một bảng FIB( Forwarding Information Base) để chuyển các gói tin. Thông qua bảng này có thể tìm kiếm địa chỉ ở phần tiêu đề của gói để các gói từ giao diện đầu vào mà xác định giao diện đầu ra tương ứng. Trường hợp không tìm thấy có nghĩa là gói đó đã bị rớt.
Nội dung của FIB phản ánh trạng thái hiện tại của cấu trúc mạng IP xung quanh router. + Khối quản lý: Khi một router bị nghẽn, các gói có thể bị loại bỏ hoặc đánh dấu trong nó. Việc lựa chọn đầu ra phản hồi tắc nghẽn của bộ chuyển gói được điều khiển bởi khối này. Ngày nay, QoS ngày càng trở nên quan trọng, khối chuyển tiếp được thiết kế lại nhằm mang lại thuận lợi hơn khi router gửi gói.
Thông thường một gói phải trải qua 3 giai đọa chính sau: + Phân loại và tìm kiếm FIB ( thiết lập nhận dạng gói và tìm giao diện đầu ra).S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page 13 + Kiểm soát và đánh dấu ( phản ánh lại trong trường hợp gói không đến trong một khung thời gian phù hợp). + Xếp hàng và lập thời gian biểu( chuyển tiếp gói đến các kết nối chia sẻ hay quy tắc định hình lưu lượng hoặc loại bỏ nó khỏi quy tắc điều khiển nghẽn). Trong đó tầng phân loại thiết lập ngữ cảnh cho các gói lần lượt đến xử ly bởi các router. Hầu hết ngữ cảnh này dung để thiết lập các đặc tính xử lý theo thời gian như: bắt giữ, hang đợi, đánh dấu, lập lịch, một số ngữ cảnh để chỉnh sửa yêu cầu truyền gói.
Để giải quyết tắc nghẽn ta có thể sử dụng kiến trúc CQS tại tất cả các điểm tắc nghẽn thậm chí bên trong mạng hay bên trong router. Tất nhiên tại mỗi router cũng có thể xảy ra tắc nghẽn bên trong do đó nó cũng được cung cấp các hàng đợi và lập lịch khác nhau tại các điểm. Hình dưới đây cho ta cái nhìn tổng quan về quá trình xử lý xảy ra trong khối chuyển tiếp trong hình 2.3- Quá trình xử lý gói trong khối chuyển tiếp 2.2 Chức năng của Router Do router có nhiệm vụ định tuyến và truyền các gói tin trong mạng sao cho đảm bảo nhất nên các router hỗ trợ các chức năng sau: + Làm giao diện của mạng( bao gồm cả phân mảnh nếu cần thiết) + Chuyển gói tới các router kế tiếp tuỳ theo thông tin trong bảng định tuyến.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page 14 + Tạo bảng định tuyến và thường xuyên cập nhật nó. + Xử lý giao thức Internet.
+ Điều khiển chống tắc nghẽn và điều khiển cấp phép. + Bảo mật mạng và điều khiển truy nhập. + Lắp đặt cấu hình, điều hành và quản trị mạng.3 Cấu trúc của CQS. Trên đây chúng ta đã tìm hiểu một cấu trúc chung của router, kiến trúc này đã từng sử dụng rộng rải trong mang viễn thông nói chung và mạng Internet nói riêng.
Tuy nhiên với sự phát triển mạng lưới viễn thông nhanh chóng và rộng khắp hiện nay đòi hỏi phải tăng cường khả năng xử lý, và tăng tốc độ cho các router, cũng như cần phải đưa thêm vào các đặc tính mới nhằm quản lý lưu lượng một cách linh hoạt và mềm dẻo hơn đồng thời đáp ứng được đầy đủ yêu cầu QoS của các loại lưu lượng dịch vụ mới. Ở đây chúng ta đề cập đến một kiến trúc đó là kiến trúc CQS. Đây là một kiến trúc mới được đua vào router nhằm nâng cao khả năng quản lý của router đồng thời tăng khả năng giải quyết vấn đề tắc nghẽn xảy ra trong router và nó chỉ có trong mạng dịch vụ khác biệt. Kiến trúc này được cho như hình vẽ 2.4- Kiến trúc CQS trong Router 2.1 Phân loại Việc truyền trên mạng Internet ngày nay ngày càng phức tạp, do nó phải truyển tải quá nhiều loại lưu lượng với các đặc tính khác nhau, yêu cầu các cách thức truyền tải khác nhau.
Việc truyền tải lưu lượng,điều khiển truy nhập, và các dịch vụ khác nhau đòi hỏi có sự phân biệt các gói dựa trên cơ sở đa trường trong tiêu đề của mỗi gói, được gọi là phân loại gói tin. Mạng sẽ đặt ra các mức ưu tiên cho các gói, dựa vào mức ưu tiên này để điều khiển mạng khi có tắc nghẽn xảy ra. Gói nào có độ ưu tiên cao hơn sẽ được ưu tiên GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page 15 truyền trước, các gói có độ ưu tiên thấp hơn có thể bị loại bỏ khi có tắc nghẽn xảy ra. Cơ chế phân loại các gói của một router có ảnh hưởng trực tiếp tới việc phân chia các loại lớp dịch vụ của lưu lượng IP.
Trên thực tế thì ngữ cảnh các gói phụ thuộc vào bản thân thông tin chứa trong các gói đồng thời thông tin cấu hình được gửi từ giao diện đến của nó. Việc phân loại gói tin cũng là hình thức của cơ chế truyền gói dựa theo các mức ưu tiên. Để phân loại lớp các dịch vụ chủ yếu dựa vào thông tin bên trong phần header của gói. Nếu thiết lập a bit trong phần header của gói để làm bit phân loại thì ta sẽ phân loại được 2ª gói.
Các thông tin phân loại được dặt trong trường TOS của IPv4, TC của IPv6, và trường DS. Việc phân loại gói tin có hiệu lực do được hỗ trợ bởi một số tính năng khác của các dịch vụ mạng Internet: điều khiển truy cập, phân biệt dịch vụ, cân bằng tải, định dạng lưu lượng…Mỗi dịch vụ yêu cầu các thiết bị Internet phải phân loại các gói vào trong các luồng khác nhau và thực hiện các hành động phù hợp với các gói trong các luồng đó. Các luồng này được chỉ định bởi một bộ phân loại chứa tập hợp các luật lệ. Hoạt động của tầng phân loại: Các gói được truyền trong mạng, cũng có nghĩa là chúng được truyền giữa các host, hoặc các router.
Các thiết bị trong mạng sẽ nhận các lưu lượng từ đường biên đầu vào, chuyển vào trong mạng, sau đó đưa chúng tới đường biên mạng đầu ra. Các lưu lượng này có thể được đóng thành các gói có kích thước không đổi (dạng tế bào) hoặc thành các gói có kích thước thay đổi phù hợp với MTU của mạng. Do đó các thiết bị mạng phải cắt các gói ra thành từng gói có cấu trúc tế bào hoặc cấu trúc khung. Các thông tin truyền gói (còn gọi là header của gói tin) và phần tải trọng (payload) của gói được lưu giữ trong các cấu trúc đó.
Khi các gói đến giao diện đầu vào của một router thì router sẽ so sánh phần thông tin trong phần header của gói tin với các thông tin trong bảng FIB. Tại đây các gói sẽ được phân loại dựa theo thông tin trong các trường đã nêu phần trước để thực hiện các xử lý phù hợp: như định hướng các gói tới chặng tiếp theo, bắt giữ, hay dánh dấu các gói để trong trường hợp có xảy ra tắc nghẽn thì sẽ loại bỏ các gói có độ ưu tiên thấp hơn. Các gói sau đó được đưa tới các hàng đợi để chờ gửi tới đầu ra tương ứng.2 Quản lý hàng đợi (Queue management) 2.1 Thế nào là quản lý hàng đợi Các router chính trong mạng Internet được cấu hình có nhiều hàng đợi với kích thước lớn, do đó các gói truyền trong mạng sẽ phải mất một thời gian dài để GVHD: Th.S Trần Xuân Trường Lớp: KTVT-K49 Page 16 truyền trong hàng đợi. Trễ hàng đợi thậm chí còn lâu hơn cả trễ truyền trong mạng.
Đối với các hàng đợi quá dài, khi xảy ra tắc nghẽn thì chính sách “loại bỏ phần đuôi” được sử dụng nhiều. Điều này có nghĩa là bất kì gói nào đến trong điều kiện hàng đợi bị đầy đều bị loại bỏ trước khi vào được hàng đợi. Vấn đề đặt ra là làm thế nào khi có tắc nghẽn xảy ra. Để giải quyết vấn đề này ta sử dụng các thuật toán quản lý hàng đợi và lập lịch.