CHƯƠNG 1 Tổng quan dịch vụ phân lớp và định tuyến cưỡng bức trong QoS Mạng Internet ngày nay có nguồn gốc từ mạng ARPANET, mạng truyền dữ liệu thử nghệm của Dự án nghiên cứu phòng thủ Hoa Kỳ vào những năm đầu thập kỷ 60. Mục đích của mạng này là tạo được một mạng có thể chống lại các cuộc tấn công quân sự như các cuộc đánh bom. Để đạt được mục đích này , mạng ẨPNET được xây dựng trên mô hình gói (datagram), trong đó các gói tin được truyền đi độc lập nhau tới đích. Mạng này có ưu điểm là đơn giản và dễ dàng tương thích khi có sự thay đổi cấu hình mạng.
Qua nhiều năm phát triển, mạng Internet được nghiên cứu và phát triển bởi các nhà khoa học. Các ứng dụng như truy cập từ xa, truyền file và thư điện tử là một trong các ứng dụng được sử dụng phổ biến và chúng cũng được truyền theo mô hình datagram. Trong đó các gói tin từ các nguồn tin khác nhau được xử lý như nhau. Khi tắc nghẽn xảy ra trong mạng, chúng được xử lý rớt gói theo chế dộ ưu tiên và chính sách hàng đợi duy nhất được thực hiện là FIFO.
Mô hình này được gọi là “ dịch vụ tốt nhất có thể” (best-effort). Tuy nhiên, các ứng dụng Web đã đem lại nhiều thay đổi cơ bản cho mạng Internet. Là mạng quy mô lớn nhất thế giới và có nhiều ứng dụng mới ra đời như video hội nghị, web, truyền thông điện tử, các thảo luận trực tuyến và Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Kiều Thu An 10 điện thoại Internet. đều được phát triển với tốc độ chóng mặt.
Thương mại điện tử là một cuộc cách mạng trong thế giới Internet. Bước sang thế kỷ 21, Internet trở thành cơ sở hạ tầng thông tin trên toàn cầu. Chính những thành công của Internet tạo ra các thách thức trong tương lai. Rất nhiều loại hình ứng dụng mới ra đời đưa ra nhiều yêu cầu hơn đối với cơ sở hạ tầng Internet.
Một trong những yêu cầu đó là độ tin cậy và đảm bảo. Mô hình “dịch vụ tốt nhất có thể” trước đây không có khả năng giám sát và quản lý nguồn tài nguyên trên mạng do đó không có khả năng đảm bảo về tài nguyên để phục vụ cho yêu cầu của người dùng nhằm đem lại chất lượng dịch vụ theo yêu cầu tối thiểu. Ngược lại, nó chỉ cung cấp những gì nó có thể cấp theo khả năng hiện tại. Hầu hết các chương trình thời gian thực đều đòi hỏi một nguồn tài nguyên mạng tối thiểu để có thể hoạt động được.
Khi Internet ngày càng trở thành quen thuộc và cần thiết đối với đời sồng cón người thì việc thiếu các cấu hình tối thiểu dành riêng là một điều cần thiết. Các vấn đề trên đưa ra ý tưởng về sự “phân lớp dịch vụ”. Khi Internet xử lý các gói tin như nhau thì nó chỉ có thể cung cấp một mức dịch vụ duy nhất. Tuy nhiên trên thực tế các ứng dụng khác nhau thì các đòi hỏi về tài nguyên mạng là khác nhau.
Các ứng dụng tương tác như điện thoại internet là các ứng dụng nhạy cảm với trễ và mất gói, nó đòi hỏi một lượng băng thông nhất định để đạt được chất lượng tối thiểu. Ngược lại những ứng dụng như truyền file ít nhạy cảm hơn với trễ hay mất gói chỉ cần một mức băng thông ở mức thấp hơn. Các khách hàng khác nhau có các nhu cầu khác nhau về mức độ sử dụng Internet. Ví dụ các tổ chức cần Internet phục vụ cho các chương trình giao dịch ngân hàng hoặc điều khiển công nghiệp sẵn sàng trả nhiều hơn cho các yêu cầu của họ.
Mặt khác, các nhà cung cấp dịch vụ ISP, việc cung cấp các mức dịch vụ khác nhau tới các khách hàng khác nhau cũng là một phần công việc kinh doanh của họ. Khả năng cung cấp nguồn tài nguyên dành sẵn và các Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Kiều Thu An 11 mức dịch vụ phân lớp được gọi là chất lượng dịnh vụ. Mạng Internet chỉ có thể được coi là mạng đa dịch vụ khi và chỉ khi nó có thể hỗ trợ các dịch vụ phân lớp. Đảm bảo tài nguyên dành sẵn là một trong những tiêu chí quan trọng của các ứng dụng Internet.
Trong hơn một thập kỷ qua, các hiệp hội về Internet đã nỗ lực khôngn ngưng nghỉ để đưa ra được các tiêu chí và phát triển các kỹ thuật nhằm cải tiến mạng Internet và chất lượng dịch vụ của nó. Các kiến trúc hạ tầng mạng và các cơ chế đã được phát triển nhằm phục vụ QoS chủ yếu tập trung thực hiện 02 chức năng chính là: dành trước tài nguyên và tối ưu hoá cấu hình mạng. 02 mô hình dịch vụ phân lớp để thực hiện dành trước tài nguyên được đưa ra là mô hình dịch vụ tích hợp Interserv và mô hình phân lớp dịch vụ Diffserv. Các mô hình dịch vụ này thực hiện phân lớp thông tin đầu vào và đảm bảo cơ chế dành trước nguồn tài nguyên tương ứng cho mỗi lớp thông tin.
Kỹ thuật chuyển mạch nhãn MPLS và kỹ thuật lưu lượng cho phép các nhà cung cấp dịch vụ một cơ chế giám sát băng thông mạng và tối ưu cấu hình mạng. Không có các công cụ kỹ thuật này sẽ khó cho việc hỗ trợ QoS trên phạm vi quy mô rộng với giá hợp lý.1 Dành sẵn tài nguyên mạng Xét về cơ bản mọi vấn đề trong Internet đều bắt nguồn từ việc các gói tin bị rớt hoặc trễ do nguồn tài nguyên của mạng không thể đáp ứng được yêu cầu của luồng thông tin. Hiểu theo cách đơn giản nhất, một mạng bao gồm các tài nguyên chung như băng thông và bộ đệm phục vụ các luồng tin từ nhiều người dùng cạnh tranh. Một mạng cung cấp QoS cần có chức năng dành trước nguồn tài nguyên và quyết định được ai là người được dành riêng tài nguyên mạng và mức dành riêng là bao nhiêu.
Mạng Internet truyền thống trước đây không hỗ trợ bất cứ hình thức dành trước nguồn tài nguyên nào, nó xử lý các gói tin như nhau và phục vụ gói tin Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Kiều Thu An 12 theo mô hình “đến trước - phục vụ trước” (FCFS-fist come first serve). Không có một sự điều khiển người dùng cũng như gói tin trong mạng nào. Mạng Internet hiện nay dựa trên giao thức TCP tại các host để phát hiện tắc nghẽn và giảm tốc độ truyền tin tương ứng. TCP sử dụng cơ chế cửa sổ để đìêu khiển tắc nghẽn.
Kích thước cửa sổ tương ứng với lượng dữ liệu truyền giữa bên nhận và gửi. Nếu TCP nguồn phát hiện mất gói nó sẽ giảm tốc độ truyền dữ liệu bằng cách giảm cửa sổ đi một nửa và sau đó dần tăng lên trong trường hợp băng thông sẵn có trong mạng vẫn còn. Quá trình giành trước nguồn tài nguyên trên nền TCP đòi hỏi tất cả các ứng dụng phải có cùng cơ chế điều khiển tắc nghẽn. Điều này có thể thực hiện được trong mạng quy mô nhỏ nhưng trong mạng Internet thì hầu như không thể thực hiện được.
Ví dụ trong mạng Internet có thể có các ứng dụng UDP hoặc các ứng dụng thời gian thực không thể thực hiện tốt với sự thay đổi liên tục tốc độ truyền do kích thước cửa sổ thay đổi liên tục trong quá trình điều khiển tắc nghẽn. Mô hình dịch vụ mà mạng truyền thống trước đây phục vụ là mô hình “tốt nhất có thể”. Nó không có cơ chế giành trước nguồn tài nguyên mạng. Do đó, khi xảy ra tắc nghẽn các gói tin bị đẩy ra khỏi hàng đợi.
Và vì các gói tin được đối xử như nhau nên bất cứ dòng thông tin nào cũng có thể bị tắc nghẽn. Do vậy nhu cầu về dành trước tài nguyên và phân lớp dịch vụ là cần thiết. 02 mô hình được nghiên cứu và phát triển là Interserv và Diffserv. Cả 02 mô hình đều thêm vào kiến trúc mạng cũ một số hạ tầng cơ sở kỹ thuật (framework) cho việc giành trước nguồn tài nguyên, một số mô hình dịch vụ mới cho mô hình tốt nhất có thể, một số ngôn ngữ (language) mô tả việc giành riêng tài nguyên và các yêu cầu về tài nguyên, một số cơ chế cung cấp tài nguyên dành riêng.
Interserv và Diffserv là hai giải pháp khác nhau cho cơ chế giành riêng nguồn tài nguyên mạng. Interserv cung cấp tài nguyên dành Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Kiều Thu An 13 riêng cho các nguồn tin riêng biệt của từng dòng ứng dụng. Diffserv dành riêng tài nguyên dựa trên sự tổng hợp các chính sách, giám sát và ưu tiên lưu lượng.1 Dịch vụ tích hợp - Integrated Services Cho dù vấn đề của mô hình “dịch vụ tốt nhất có thể” được phát hiện qua một thời gian dài, nhưng việc cải thiện kíên trúc dịch vụ chỉ được thực hiện những năm đầu thập kỷ 90 với các thí nghiệm về hội nghị video qua Internet. Yêu cầu chật chẽ về trễ và jitter của các ứng dụng này đòi hỏi một loại hình dịch vụ mới có khả năng dành trước nguồn tài nguyên tối thiểu cho chúng.
Đầu những năm 90, tổ chức chuẩn hoá IETF bắt đầu đưa ra các chuẩn cho kiến trúc dịch vụ Interserv. Tại thời điểm đó, dịch vụ WWW chưa phát triển như chúng ta biết như ngày nay, và dịch vụ hội nghị truyền thông được coi là dịch vụ duy nhất cần được quan tâm tới nguồn tài nguyên mạng. Do đó, Interserv được đưa ra chủ yếu để đáp ứng nhu cầu của dịch vụ thời gian thực. InterServ đề xuất 02 lớp dịch vụ thêm vào “mô hình dịch vụ tốt nhất có thể” là dịch vụ bảo đảm cho các ứng dụng yêu cầu giới hạn trễ cố định và dịch vụ tải điều khiển cho các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao.
Interserv thực hiện dành trước nguồn tài nguyên cho từng luồng dữ liệu. Luồng dữ liệu là những gói tin có cùng địa chỉ IP đích/nguồn, địa chỉ cổng đích/nguồn, cùng giao thức vận chuyển và cùng hướng truyền. Để có nguồn tài nguyên dành sẵn, một ứng dụng phải thực hiện đăng ký trước nguồn tài nguyên trước khi thực sự gửi dữ liệu đi qua mạng. Quá trình giành trước tài nguyên được thực hiện qua nhiều bước.
Trước hết, ứng dụng đó phải xác định nguồn lưu lượng cần thiết và các yêu cầu về tài nguyên. Tiếp theo mạng sử dụng các giao thức định tuyến để tìm ra đường đi dựa trên các thông số về tài nguyên được yêu cầu. Sau đó một giao thức giành trước tài nguyên Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Kiều Thu An 14 được sử dụng để cài đặt các trạng thái dành riêng trên các chặng suốt dọc đường đi đã được chọn.