Nghiên cứu giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên thiết bị định tuyến sử dụng VyOS

• Tác giả: Phạm Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đại Thọ
• Trường học: Đại học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ trên thiết bị định tuyến với VyOS
• Loại tài liệu: Luận văn
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• 1.1. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1.2. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• 1.3. DANH MỤC CÁC BẢNG
• 1.4. TỔNG QUAN VỀ QOS VÀ 1 SỐ CƠ CHẾ QOS CƠ BẢN
• 1.4.1. Tổng quan về QoS
• 1.4.2. Các tham số hiệu suất QoS
• 1.4.3. Các cơ chế QoS cơ bản
• 1.4.3.1. Cơ chế bỏ đuôi - DropTail
• 1.4.3.2. Cơ chế loại bỏ ngẫu nhiên – RED
• 1.4.4. Kết chương
• 1.5. CÁC CƠ CHẾ QOS VÀ CẤU TRÚC TRONG VYOS
• 1.5.1. Giới thiệu chung về thiết bị định tuyến hệ điều hành nguồn mở VyOS
• 1.5.2. Cấu trúc file hệ thống trong VyOS
• 1.5.2.1. Thư mục /opt/vyatta/bin
• 1.5.2.2. Thư mục /opt/vyatta/sbin
• 1.5.2.3. Thư mục /opt/vyatta/share
• 1.5.3. Các kiểu QoS trong VyOS
• 1.5.4. Kiến trúc QoS trong VyOS
• 1.5.5. Xác định mã nguồn giải thuật QoS trong kernel VyOS
• 1.5.6. Kết chương
• 1.6. THỰC HIỆN THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 1.6.1. Tổng quan về chương trình giả lập EVE-NG
• 1.6.2. Xây dựng sơ đồ mạng mô phỏng hệ thống
• 1.6.3. Thực hiện thử nghiệm
• 1.6.4. Kết quả kiểm thử
• 1.6.5. Kết chương
• 1.7. TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về chất lượng dịch vụ QoS

Chất lượng dịch vụ (QoS) đang trở thành một yếu tố quan trọng trong cơ sở hạ tầng CNTT hiện đại. Nó không chỉ cần thiết cho việc truyền phát giọng nói và video mà còn hỗ trợ cho Internet vạn vật (IoT). Trong sản xuất, việc truyền tải thông tin trạng thái thời gian thực là rất quan trọng. Bất kỳ sự chậm trễ nào có thể dẫn đến thiệt hại lớn. Do đó, việc ưu tiên luồng dữ liệu trạng thái sản xuất trong mạng là cần thiết. QoS đảm bảo rằng các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ, như cuộc gọi điện thoại IP, hoạt động hiệu quả. Nếu mạng không đủ băng thông, các gói tin có thể bị mất, dẫn đến chất lượng dịch vụ kém. QoS giúp quản lý các loại gói tin khác nhau với yêu cầu hiệu suất khác nhau, từ đó đảm bảo rằng các gói tin quan trọng được xử lý kịp thời.

1.1. Các tham số hiệu suất QoS

Các tham số hiệu suất của QoS bao gồm thông lượng, thời gian trễ, jitter và tỷ lệ mất gói. Thông lượng là số lượng thông tin được truyền tải trong một khoảng thời gian. Thời gian trễ là thời gian cần thiết để một gói tin di chuyển từ nguồn đến đích. Jitter là sự biến thiên của độ trễ giữa các gói tin. Tỷ lệ mất gói là số lượng gói tin bị mất trong quá trình truyền tải. Các tham số này rất quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của mạng và đảm bảo rằng các ứng dụng thời gian thực hoạt động hiệu quả.

II. Các cơ chế QoS cơ bản

Các cơ chế quản lý hàng đợi là rất quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ. Một trong những cơ chế đơn giản nhất là DropTail, nơi mà tất cả các gói tin đến được xếp vào hàng đợi. Khi hàng đợi đầy, các gói tin mới sẽ bị loại bỏ. Mặc dù DropTail dễ triển khai, nó có nhược điểm là không đảm bảo QoS. Khi hàng đợi đầy, các gói tin quan trọng có thể bị loại bỏ. Một cơ chế khác là RED (Random Early Detection), được thiết kế để phát hiện tắc nghẽn sớm hơn. RED theo dõi độ dài hàng đợi và có thể loại bỏ gói tin hoặc đánh dấu chúng để thông báo cho nguồn phát giảm lưu lượng. Điều này giúp duy trì hiệu suất mạng và tránh hiện tượng đồng bộ toàn cục.

2.1. Cơ chế DropTail

DropTail là một cơ chế quản lý hàng đợi đơn giản, dựa trên FIFO. Tất cả các gói tin đến được xếp vào hàng đợi, và khi hàng đợi đầy, các gói tin mới sẽ bị loại bỏ. Mặc dù DropTail dễ triển khai, nó không phân biệt giữa các gói tin quan trọng và không quan trọng. Điều này có thể dẫn đến việc mất gói tin quan trọng trong trường hợp tắc nghẽn. Để cải thiện, cần có các cơ chế quản lý hàng đợi phức tạp hơn để đảm bảo chất lượng dịch vụ.

2.2. Cơ chế RED

RED là một trong những thuật toán AQM đầu tiên, được thiết kế để phát hiện tắc nghẽn sớm. RED theo dõi độ dài hàng đợi và có thể loại bỏ gói tin hoặc đánh dấu chúng. Điều này giúp duy trì kích thước hàng đợi trung bình ở mức thấp và ổn định. RED giúp tránh hiện tượng đồng bộ toàn cục và không chống lại các dòng lưu lượng có đặc tính đột biến. Việc sử dụng RED có thể cải thiện đáng kể chất lượng dịch vụ trong mạng.

III. Cấu trúc và cơ chế trong VyOS

VyOS là một hệ điều hành mã nguồn mở cho các thiết bị định tuyến. Cấu trúc của VyOS cho phép người dùng tùy chỉnh và cài đặt các giải pháp QoS. Các thư mục như /opt/vyatta/bin và /opt/vyatta/sbin chứa các lệnh và cấu hình cần thiết để quản lý dịch vụ mạng. Việc hiểu rõ cấu trúc này là rất quan trọng để có thể áp dụng các giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ. Các cơ chế QoS trong VyOS bao gồm các kiểu như Fair Queue và các giải thuật quản lý hàng đợi như DropTail và RED. Việc áp dụng các cơ chế này sẽ giúp cải thiện hiệu suất mạng và đảm bảo rằng các gói tin quan trọng được xử lý kịp thời.

3.1. Cấu trúc file hệ thống trong VyOS

Cấu trúc file hệ thống trong VyOS rất quan trọng cho việc quản lý và cấu hình mạng. Thư mục /opt/vyatta/bin chứa các lệnh thực thi, trong khi /opt/vyatta/sbin chứa các lệnh quản trị. Việc nắm vững cấu trúc này giúp người dùng có thể dễ dàng tìm kiếm và sử dụng các lệnh cần thiết để cấu hình QoS. Điều này cũng giúp người dùng có thể tùy chỉnh các giải pháp chất lượng dịch vụ theo nhu cầu cụ thể của mạng.

3.2. Các kiểu QoS trong VyOS

VyOS hỗ trợ nhiều kiểu QoS khác nhau, cho phép người dùng tùy chỉnh theo nhu cầu của mạng. Các kiểu này bao gồm Fair Queue, một cơ chế giúp phân phối băng thông công bằng giữa các luồng dữ liệu. Việc áp dụng các kiểu QoS này sẽ giúp cải thiện hiệu suất mạng và đảm bảo rằng các gói tin quan trọng được xử lý kịp thời. Sự linh hoạt trong cấu hình QoS trong VyOS là một trong những điểm mạnh của hệ điều hành này.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin và truyền thông, nhu cầu về chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) trong các hệ thống mạng ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, các ứng dụng đa phương tiện như hội thảo trực tuyến, điện thoại qua mạng đang chiếm tỷ lệ lớn trong lưu lượng mạng hiện nay, đòi hỏi độ trễ thấp, băng thông đủ lớn và tỷ lệ mất gói tin phải được kiểm soát nghiêm ngặt. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao hiệu quả quản lý hàng đợi trong các thiết bị định tuyến nhằm giảm thiểu tắc nghẽn và cải thiện QoS. Mục tiêu cụ thể của luận văn là phân tích, cài đặt và đánh giá hiệu năng các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực như DropTail, RED và Adaptive-RED (A-RED) trên thiết bị định tuyến mã nguồn mở VyOS, sử dụng môi trường giả lập EVE-NG để mô phỏng thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các giải thuật quản lý hàng đợi, cấu trúc hệ thống VyOS và thử nghiệm trong môi trường mạng mô phỏng tại Việt Nam trong giai đoạn gần đây. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ mạng, giảm thiểu mất gói và độ trễ, góp phần phát triển hạ tầng mạng bền vững và hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

• Chất lượng dịch vụ (QoS): Được định nghĩa qua các tham số như thông lượng, độ trễ, jitter và tỷ lệ mất gói, QoS là yếu tố quyết định hiệu quả truyền tải dữ liệu trong mạng, đặc biệt với các ứng dụng thời gian thực.
• Cơ chế quản lý hàng đợi: Bao gồm các thuật toán như DropTail (FIFO truyền thống), RED (Random Early Detection) và A-RED (Adaptive RED) nhằm kiểm soát tắc nghẽn bằng cách loại bỏ hoặc đánh dấu gói tin sớm.
• Mô hình Active Queue Management (AQM): Mô hình quản lý hàng đợi chủ động giúp phát hiện và xử lý tắc nghẽn trước khi hàng đợi đầy, cải thiện hiệu suất mạng.
• Kiến trúc hệ điều hành VyOS: Hệ điều hành mã nguồn mở dựa trên Linux, cho phép truy cập và chỉnh sửa mã nguồn, hỗ trợ các cơ chế QoS thông qua các module và câu lệnh cấu hình.
• Môi trường giả lập EVE-NG: Công cụ mô phỏng mạng cho phép thử nghiệm các cấu hình và giải thuật trên nền tảng gần với thực tế, sử dụng firmware thiết bị thật.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ mã nguồn VyOS, tài liệu kỹ thuật về các thuật toán quản lý hàng đợi, và dữ liệu thử nghiệm từ môi trường giả lập EVE-NG.
• Phương pháp phân tích: Phân tích cấu trúc hệ thống VyOS, giải thuật RED và A-RED trong kernel Linux, đồng thời thực hiện thử nghiệm mô phỏng để đánh giá hiệu năng các cơ chế quản lý hàng đợi.
• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mạng giả lập gồm 4 router và thiết bị VyOS làm gateway, sử dụng công cụ Ostinato để sinh lưu lượng HTTP SYN từ 3 nguồn đến đích, đảm bảo tính đại diện cho các kịch bản mạng thực tế.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và phân tích mã nguồn trong 3 tháng đầu, triển khai thử nghiệm và thu thập dữ liệu trong 2 tháng tiếp theo, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn trong tháng cuối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Hiệu quả loại bỏ gói tin: Cơ chế DropTail loại bỏ khoảng 2.259 gói, trong khi RED với tham số maxp=0,02 loại bỏ nhiều nhất với khoảng 2.675 gói, cho thấy RED có khả năng kiểm soát tắc nghẽn tốt hơn DropTail.
• Độ ổn định lưu lượng: RED-2 (maxp=0,02) có độ dao động lưu lượng thấp nhất, thể hiện qua lưu lượng packet/s ổn định hơn so với các cơ chế khác.
• So sánh A-RED và RED: A-RED với maxp=0,5 loại bỏ khoảng 2.513 gói, hiệu quả hơn RED-1 cùng tham số maxp=0,5 (2.487 gói), chứng tỏ A-RED cải thiện khả năng điều chỉnh tham số động, giảm độ trễ và tăng thông lượng.
• Ảnh hưởng tham số maxp: Tham số maxp ảnh hưởng lớn đến hiệu quả loại bỏ gói và độ trễ, với giá trị 0,02 cho kết quả tối ưu trong thử nghiệm.

Thảo luận kết quả

Kết quả thử nghiệm cho thấy các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực như RED và A-RED vượt trội hơn DropTail trong việc kiểm soát tắc nghẽn và duy trì chất lượng dịch vụ. RED và A-RED sử dụng bộ lọc thông thấp để tính toán kích thước hàng đợi trung bình và xác suất loại bỏ gói tin, giúp phát hiện sớm tắc nghẽn và giảm thiểu hiện tượng đầy hàng đợi kéo dài. A-RED cải tiến bằng cách điều chỉnh tham số maxp một cách thích ứng, giảm độ nhạy với lưu lượng tải và tham số cấu hình, từ đó cải thiện độ ổn định và hiệu suất mạng. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với lý thuyết về ưu điểm của AQM trong việc giảm độ trễ và mất gói. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lượng gói tin bị loại bỏ và lưu lượng packet/s để minh họa sự khác biệt hiệu quả giữa các cơ chế.

Đề xuất và khuyến nghị

• Triển khai cơ chế A-RED trên thiết bị VyOS: Áp dụng A-RED làm cơ chế quản lý hàng đợi chính để tối ưu hóa chất lượng dịch vụ, giảm thiểu mất gói và độ trễ, với mục tiêu giảm tỷ lệ mất gói dưới 1% trong vòng 6 tháng.
• Tối ưu tham số cấu hình QoS: Điều chỉnh tham số maxp trong khoảng 0,01 đến 0,05 để cân bằng giữa thông lượng và độ trễ, thực hiện đánh giá định kỳ mỗi quý.
• Phát triển module mở rộng QoS: Tận dụng khả năng mã nguồn mở của VyOS để phát triển các giải thuật quản lý hàng đợi mới, phù hợp với đặc thù lưu lượng mạng doanh nghiệp, hoàn thành trong 12 tháng.
• Đào tạo và nâng cao năng lực quản trị mạng: Tổ chức các khóa đào tạo về cấu hình và tối ưu QoS trên VyOS cho đội ngũ kỹ thuật, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành mạng trong 3 tháng đầu năm.
• Sử dụng môi trường giả lập EVE-NG: Tiếp tục sử dụng EVE-NG để thử nghiệm các kịch bản mạng phức tạp trước khi triển khai thực tế, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của các giải pháp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Chuyên gia và kỹ sư mạng: Nâng cao kiến thức về các cơ chế quản lý hàng đợi và cách triển khai trên thiết bị mã nguồn mở VyOS, hỗ trợ tối ưu hóa mạng doanh nghiệp.
• Nhà nghiên cứu và sinh viên CNTT: Cung cấp tài liệu tham khảo về lý thuyết QoS, các thuật toán AQM và phương pháp thử nghiệm thực tế trên môi trường giả lập.
• Doanh nghiệp cung cấp dịch vụ Internet (ISP): Áp dụng các giải pháp QoS để nâng cao chất lượng dịch vụ, giảm thiểu tắc nghẽn và cải thiện trải nghiệm khách hàng.
• Nhà phát triển phần mềm mạng: Khai thác mã nguồn mở VyOS để phát triển các tính năng mới, cải tiến giải thuật quản lý lưu lượng phù hợp với yêu cầu thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. QoS là gì và tại sao quan trọng?
   QoS là tập hợp các kỹ thuật đảm bảo chất lượng truyền tải dữ liệu trong mạng, đặc biệt quan trọng với các ứng dụng thời gian thực như thoại và video để giảm độ trễ và mất gói.

2. Các cơ chế quản lý hàng đợi nào được nghiên cứu?
   Luận văn tập trung vào DropTail, RED và A-RED, trong đó RED và A-RED là các thuật toán quản lý hàng đợi tích cực giúp phát hiện và xử lý tắc nghẽn sớm.

3. VyOS có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
   VyOS là hệ điều hành định tuyến mã nguồn mở, cho phép truy cập và chỉnh sửa mã nguồn, thuận tiện cho việc cài đặt và thử nghiệm các giải thuật QoS mới.

4. Môi trường EVE-NG hỗ trợ gì cho nghiên cứu?
   EVE-NG là môi trường giả lập mạng mạnh mẽ, cho phép mô phỏng các thiết bị mạng thực tế, giúp thử nghiệm cấu hình và giải thuật QoS một cách chính xác và tiết kiệm chi phí.

5. Kết quả thử nghiệm cho thấy điều gì?
   A-RED với tham số maxp thích hợp cho hiệu quả loại bỏ gói tin tốt hơn, giảm độ trễ và duy trì lưu lượng ổn định hơn so với DropTail và RED truyền thống.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích và đánh giá hiệu quả các cơ chế quản lý hàng đợi DropTail, RED và A-RED trên thiết bị định tuyến VyOS trong môi trường giả lập EVE-NG.
• A-RED thể hiện ưu thế vượt trội trong việc kiểm soát tắc nghẽn, giảm mất gói và duy trì độ ổn định lưu lượng.
• Nghiên cứu đã xác định được cấu trúc hệ thống VyOS và vị trí mã nguồn các giải thuật QoS, mở ra cơ hội phát triển các giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ.
• Đề xuất triển khai A-RED và tối ưu tham số cấu hình nhằm nâng cao hiệu quả vận hành mạng trong thực tế.
• Khuyến khích tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải thuật mới trên nền tảng VyOS, đồng thời sử dụng môi trường giả lập để thử nghiệm trước khi áp dụng thực tế.

Hành động tiếp theo là triển khai các đề xuất trong môi trường thực tế và mở rộng nghiên cứu sang các giải thuật quản lý lưu lượng khác nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của mạng hiện đại.