Nghiên Cứu Về Mô Hình DiffServ Trong Quản Lý Tài Nguyên Mạng

• Người hướng dẫn: PTS. Nguyễn Văn Tam
• Trường học: Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Quản Lý Tài Nguyên Mạng
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Mô Hình DiffServ Trong Quản Lý Tài Nguyên Mạng
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MẠNG NGHỆ THUẬT MPLS
• 1.1. Giới thiệu về hệ thống mạng đa giao thức (MPLS)
• 1.2. Lợi ích của MPLS
• 1.3. Kiến trúc của MPLS
• 1.4. Mặt phẳng điều khiển
• 1.5. Phân loại dịch vụ InServ
• 1.6. Dịch vụ phân biệt DiffServ
• 1.7. Kiến trúc của dịch vụ DiffServ
• 1.8. Ước thế của dịch vụ DiffServ
• 1.9. Triển khai dịch vụ DiffServ trên mạng MPLS
• 1.10. Mô hình đường hầm DiffServ qua mạng MPLS
• 2. CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
• 2.1. Thiết kế truy cập cho Tổng cục Thuế
• 2.2. Đề xuất cải tiến về chất lượng dịch vụ trên đường truyền ngành Tài chính
• 2.3. Xác định mức độ ưu tiên gói tin IP Precedence, MPLS exp
• 2.4. Phân loại dịch vụ tương ứng với IP Precedence
• 2.5. Kết quả đo đạc lưu lượng trên đường truyền MPLS ngành Thuế
• 2.6. Thống lượng xuất phát từ hệ thống Thuế Việt Trì
• 2.7. Thử nghiệm kiểm chứng hiệu quả của việc áp dụng mô hình DiffServ trên tổng quy mô PS2
• 2.8. Mô hình và kết quả mô phỏng
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DIFFSERV TRONG VIỆC ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ MẠNG MPLS
• 3.1. Thiết kế truy cập cho Tổng cục Thuế
• 3.2. Đề xuất cải tiến về chất lượng dịch vụ trên đường truyền ngành Tài chính
• 3.3. Mô hình đường hầm DiffServ qua mạng MPLS
• 3.4. Mô hình và kết quả mô phỏng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về DiffServ Cách Quản Lý Chất Lượng Mạng

Công nghệ DiffServ (Differentiated Services) nổi lên như một giải pháp quan trọng trong việc quản lý tài nguyên mạng và đảm bảo Quality of Service (QoS). Trong bối cảnh lưu lượng mạng ngày càng tăng và yêu cầu về chất lượng dịch vụ khác nhau, DiffServ cung cấp một cơ chế linh hoạt để phân loại lưu lượng và áp dụng các chính sách QoS khác nhau. Điều này cho phép ưu tiên các ứng dụng quan trọng như VoIP và video streaming, đồng thời đảm bảo hiệu suất cho các ứng dụng ít nhạy cảm hơn với độ trễ. DiffServ đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng các kiến trúc mạng hiệu quả và đáp ứng nhu cầu đa dạng của người dùng. Theo luận văn "Mạng MPLS và ứng dụng trong ngành Thuế", việc triển khai DiffServ giúp "đảm bảo các ứng dụng về quản lý thuế hoạt động thông suốt và hiệu quả từ cấp Trung ương xuống tới địa phương".

1.1. Khái niệm cơ bản về DiffServ

DiffServ là một kiến trúc mạng cho phép phân loại lưu lượng thành các lớp dịch vụ khác nhau và áp dụng các chính sách QoS riêng biệt cho từng lớp. Thay vì xử lý mọi gói tin như nhau, DiffServ cho phép các router ưu tiên các gói tin quan trọng hơn, đảm bảo độ trễ thấp và thông lượng cao cho các ứng dụng nhạy cảm. Điều này đạt được bằng cách sử dụng trường DSCP (Differentiated Services Code Point) trong tiêu đề IP để đánh dấu các gói tin thuộc các lớp dịch vụ khác nhau. Các lớp dịch vụ phổ biến bao gồm EF (Expedited Forwarding) cho lưu lượng thời gian thực, AF (Assured Forwarding) cho lưu lượng quan trọng nhưng không yêu cầu độ trễ cực thấp, và BE (Best Effort) cho lưu lượng ít quan trọng hơn.

1.2. Ưu điểm của mô hình DiffServ

Mô hình DiffServ mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp quản lý tài nguyên mạng truyền thống. Thứ nhất, nó cung cấp khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng quan trọng, cải thiện trải nghiệm người dùng và tăng cường hiệu quả hoạt động. Thứ hai, DiffServ có thể được triển khai trên nhiều loại kiến trúc mạng khác nhau, từ mạng doanh nghiệp đến mạng ISP, mang lại tính linh hoạt cao. Thứ ba, DiffServ cho phép phân bổ băng thông một cách hiệu quả, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng và giảm thiểu tắc nghẽn. Cuối cùng, DiffServ có thể được kết hợp với các công nghệ khác như MPLS (Multiprotocol Label Switching) để tạo ra các giải pháp QoS toàn diện.

II. Thách Thức Quản Lý QoS Vấn Đề Với Mô Hình Best Effort

Trong môi trường mạng hiện đại, mô hình Best Effort truyền thống không còn đáp ứng được nhu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ. Với sự gia tăng của các ứng dụng thời gian thực như VoIP và video streaming, việc ưu tiên lưu lượng trở nên cấp thiết. Mô hình Best Effort, trong đó mọi gói tin đều được xử lý như nhau, dẫn đến tình trạng độ trễ cao, mất gói tin và trải nghiệm người dùng kém. Điều này đặc biệt nghiêm trọng trong các mạng doanh nghiệp và mạng ISP, nơi có nhiều ứng dụng cạnh tranh tài nguyên mạng. Do đó, cần có các giải pháp QoS tiên tiến hơn để giải quyết những hạn chế của mô hình Best Effort và đảm bảo hiệu suất mạng ổn định.

2.1. Hạn chế của mô hình Best Effort

Mô hình Best Effort có một số hạn chế đáng kể. Nó không cung cấp bất kỳ cơ chế nào để ưu tiên lưu lượng, dẫn đến tình trạng các ứng dụng quan trọng có thể bị ảnh hưởng bởi các ứng dụng ít quan trọng hơn. Điều này đặc biệt gây khó khăn trong các tình huống tắc nghẽn, khi tài nguyên mạng trở nên khan hiếm. Ngoài ra, Best Effort không đảm bảo bất kỳ mức độ độ trễ, thông lượng hoặc mất gói tin nào, khiến nó không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu QoS cao. Cuối cùng, Best Effort không cung cấp khả năng phân bổ băng thông một cách linh hoạt, dẫn đến việc sử dụng tài nguyên mạng không hiệu quả.

2.2. Tác động của Best Effort đến ứng dụng thời gian thực

Các ứng dụng thời gian thực như VoIP và video streaming đặc biệt nhạy cảm với các vấn đề do mô hình Best Effort gây ra. Độ trễ và mất gói tin có thể làm giảm đáng kể chất lượng cuộc gọi VoIP và gây ra hiện tượng giật lag trong video streaming. Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến trải nghiệm người dùng và có thể dẫn đến mất khách hàng. Do đó, việc ưu tiên lưu lượng cho các ứng dụng thời gian thực là rất quan trọng để đảm bảo chúng hoạt động trơn tru và hiệu quả. Các giải pháp QoS như DiffServ cung cấp các cơ chế để đạt được điều này.

III. Triển Khai DiffServ Phương Pháp Phân Loại Và Ưu Tiên Lưu Lượng

Để giải quyết các vấn đề của mô hình Best Effort, DiffServ cung cấp một phương pháp phân loại lưu lượng và ưu tiên lưu lượng linh hoạt. Bằng cách sử dụng trường DSCP trong tiêu đề IP, các gói tin được đánh dấu để chỉ định lớp dịch vụ mà chúng thuộc về. Các router sau đó sử dụng thông tin này để áp dụng các chính sách QoS khác nhau, chẳng hạn như điều khiển tắc nghẽn, traffic shaping và policing. Điều này cho phép ưu tiên lưu lượng quan trọng và đảm bảo độ trễ thấp và thông lượng cao cho các ứng dụng nhạy cảm. Việc triển khai DiffServ đòi hỏi sự phối hợp giữa các thiết bị mạng và các chính sách QoS được xác định rõ ràng.

3.1. Sử dụng DSCP để phân loại lưu lượng

Trường DSCP (Differentiated Services Code Point) là một phần quan trọng của kiến trúc DiffServ. Nó cho phép các thiết bị mạng phân loại lưu lượng thành các lớp dịch vụ khác nhau bằng cách đánh dấu các gói tin với các giá trị DSCP cụ thể. Các giá trị DSCP này sau đó được sử dụng bởi các router để áp dụng các chính sách QoS khác nhau. Việc sử dụng DSCP cho phép ưu tiên lưu lượng một cách linh hoạt và hiệu quả, đảm bảo rằng các ứng dụng quan trọng nhận được tài nguyên mạng cần thiết.

3.2. Các cơ chế QoS trong DiffServ

DiffServ sử dụng nhiều cơ chế QoS khác nhau để ưu tiên lưu lượng và đảm bảo chất lượng dịch vụ. Các cơ chế này bao gồm điều khiển tắc nghẽn (congestion control), traffic shaping (định hình lưu lượng), policing (giám sát lưu lượng), RED (Random Early Detection) và WRED (Weighted Random Early Detection). Điều khiển tắc nghẽn giúp ngăn chặn tình trạng tắc nghẽn bằng cách giảm tốc độ truyền của các nguồn lưu lượng. Traffic shaping làm mịn lưu lượng để tránh các đợt bùng nổ. Policing giới hạn lưu lượng để đảm bảo tuân thủ các chính sách QoS. RED và WRED là các cơ chế tránh tắc nghẽn giúp giảm thiểu mất gói tin.

IV. Ứng Dụng DiffServ Trong Mạng MPLS Giải Pháp QoS Toàn Diện

DiffServ có thể được tích hợp với MPLS (Multiprotocol Label Switching) để tạo ra các giải pháp QoS toàn diện cho các mạng doanh nghiệp và mạng ISP. DiffServ over MPLS cho phép ưu tiên lưu lượng trên toàn bộ mạng, từ đầu đến cuối, đảm bảo độ trễ thấp và thông lượng cao cho các ứng dụng quan trọng. Việc kết hợp DiffServ và MPLS mang lại tính linh hoạt và khả năng mở rộng cao, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ đáp ứng nhu cầu QoS đa dạng của khách hàng. Theo luận văn, mô hình DiffServ được đề xuất sử dụng trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trên hệ thống mạng MPLS ngành Tài chính.

4.1. Lợi ích của DiffServ over MPLS

DiffServ over MPLS mang lại nhiều lợi ích so với việc sử dụng DiffServ hoặc MPLS riêng lẻ. Nó cung cấp khả năng ưu tiên lưu lượng trên toàn bộ mạng, từ đầu đến cuối, đảm bảo QoS nhất quán. Nó cũng cho phép phân bổ băng thông một cách linh hoạt và hiệu quả, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng. Ngoài ra, DiffServ over MPLS có thể được sử dụng để cung cấp các dịch vụ VPN (Virtual Private Network) với QoS đảm bảo, đáp ứng nhu cầu của các mạng doanh nghiệp.

4.2. Triển khai DiffServ over MPLS

Việc triển khai DiffServ over MPLS đòi hỏi sự phối hợp giữa các thiết bị mạng và các chính sách QoS được xác định rõ ràng. Các gói tin được đánh dấu với các giá trị DSCP tại biên của mạng MPLS. Các router MPLS sau đó sử dụng thông tin này để ưu tiên lưu lượng và áp dụng các cơ chế QoS khác nhau. Việc cấu hình DiffServ trên các router MPLS có thể phức tạp, nhưng nó mang lại những lợi ích đáng kể về QoS.

V. Nghiên Cứu Hiệu Năng Đánh Giá DiffServ Qua Mô Phỏng Mạng

Để đánh giá hiệu quả của DiffServ, các nhà nghiên cứu thường sử dụng mô phỏng mạng để kiểm tra hiệu năng của nó trong các tình huống khác nhau. Các công cụ mô phỏng mạng như OPNET và NS-3 cho phép tạo ra các mô hình mạng phức tạp và mô phỏng lưu lượng mạng thực tế. Bằng cách so sánh hiệu năng của mạng với và không có DiffServ, có thể đánh giá được những cải thiện về độ trễ, thông lượng và mất gói tin mà DiffServ mang lại. Các kết quả nghiên cứu hiệu năng thường cho thấy rằng DiffServ có thể cải thiện đáng kể QoS trong các mạng có lưu lượng cao và yêu cầu QoS đa dạng.

5.1. Sử dụng OPNET và NS 3 để mô phỏng DiffServ

OPNET và NS-3 là hai công cụ mô phỏng mạng phổ biến được sử dụng để đánh giá hiệu năng của DiffServ. OPNET là một công cụ thương mại cung cấp giao diện đồ họa người dùng (GUI) và nhiều tính năng mô phỏng nâng cao. NS-3 là một công cụ mã nguồn mở cung cấp tính linh hoạt cao và khả năng tùy chỉnh. Cả hai công cụ đều cho phép tạo ra các mô hình mạng phức tạp và mô phỏng lưu lượng mạng thực tế để đánh giá hiệu quả của DiffServ.

5.2. Các chỉ số hiệu năng quan trọng

Khi đánh giá hiệu năng của DiffServ, có một số chỉ số quan trọng cần xem xét. Độ trễ là thời gian cần thiết để một gói tin đi từ nguồn đến đích. Thông lượng là tốc độ truyền dữ liệu hiệu quả. Mất gói tin là tỷ lệ các gói tin bị mất trong quá trình truyền. Các chỉ số này được sử dụng để so sánh hiệu năng của mạng với và không có DiffServ, và để đánh giá hiệu quả của các chính sách QoS khác nhau.

VI. Tương Lai DiffServ Ứng Dụng Trong Mạng 5G IoT và SDN

Công nghệ DiffServ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong các kiến trúc mạng tương lai, đặc biệt là trong mạng 5G, IoT (Internet of Things) và SDN (Software-Defined Networking). Trong mạng 5G, DiffServ có thể được sử dụng để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng khác nhau, từ video streaming đến điều khiển từ xa. Trong IoT, DiffServ có thể giúp ưu tiên lưu lượng từ các thiết bị quan trọng và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Trong SDN, DiffServ có thể được điều khiển một cách linh hoạt và tập trung, cho phép tối ưu hóa QoS và đáp ứng nhu cầu thay đổi của mạng.

6.1. DiffServ trong mạng 5G

Mạng 5G yêu cầu các giải pháp QoS tiên tiến để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng khác nhau, từ video streaming đến điều khiển từ xa. DiffServ có thể được sử dụng để phân loại lưu lượng và ưu tiên lưu lượng cho các ứng dụng này, đảm bảo độ trễ thấp và thông lượng cao. Việc tích hợp DiffServ vào mạng 5G cho phép cung cấp các dịch vụ QoS đảm bảo và cải thiện trải nghiệm người dùng.

6.2. DiffServ trong IoT

IoT (Internet of Things) bao gồm hàng tỷ thiết bị kết nối với mạng, tạo ra một lượng lớn lưu lượng mạng. DiffServ có thể giúp ưu tiên lưu lượng từ các thiết bị quan trọng và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống IoT. Việc sử dụng DiffServ trong IoT cho phép quản lý tài nguyên mạng một cách hiệu quả và đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng khác nhau.