Chương 1: Tổng quan QoS cho truyền thông đa phương tiện Chương 2: Kiến trúc QoS Chương 3: Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ Chương 4: Mô hình dịch vụ khác biệt DiffServ Chương 5: Thực nghiệm mô phỏng z 12 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN QoS CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN 1.1 Tổng quan Sự phát triển như vũ bão của các công nghệ mạng trong những năm gần đây đã làm bùng nổ các ứng dụng mới trên Internet như truyền dòng số liệu video, điện thoại IP, hội thảo từ xa, trò chơi tương tác, thế giới ảo…Những ứng dụng truyền thông đa phương tiện được xem như là các ứng dụng trên môi trường truyền thông liên tục và có các yêu cầu về chất lượng dịch vụ khác với yêu cầu của các ứng dụng truyền thống như: Email, Web, Remote login… Chúng cũng khác với các ứng dụng kiểu tải về trước rồi mới chạy (download-and-then-play). Mỗi loại ứng dụng truyền thông đa phương tiện có các đòi hỏi QoS khác nhau. Mục đích chính của việc đưa ra QoS là đưa ra sự đảm bảo có tính định lượng về băng thông, độ trễ, độ thăng giáng trễ (jitter) hoặc tỉ lệ mất gói.
Để thực hiện đảm bảo QoS, mạng truyền thông cần có các thành phần cơ bản để đảm bảo QoS như sau: thành phần cung cấp QoS, thành phần điều khiển QoS và thành phần quản lý QoS. Rất nhiều cơ chế cho QoS được đưa ra để đáp ứng cho yêu cầu của ứng dụng người dùng và cũng để đạt được hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng ở mức cao nhất với chi phí tối thiểu. Để phân loại các bảo đảm QoS trong các mạng chuyển mạch gói người ta đã đưa ra hai tiêu chuẩn phân loại. Tiêu chuẩn thứ nhất là bảo đảm QoS cho mỗi luồng lưu lượng (per-flow QoS) kiểu đầu cuối - đầu cuối (end-to-end) riêng biệt.
Theo tiêu chuẩn này có thể bảo đảm các giá trị giới hạn tuyệt đối về QoS. Tiêu chuẩn thứ hai là bảo đảm QoS cho một nhóm các luồng (per-class QoS). Theo tiêu chuẩn này chỉ có thể bảo đảm QoS một cách tương đối. Từ hai tiêu chuẩn này các nhà nghiên cứu đã đưa ra được nhiều mô hình đảm bảo QoS khác nhau.2 Các ứng dụng truyền thông đa phƣơng tiện z 13 Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện chủ yếu truyền dữ liệu audio và video, chất lượng ứng dụng thay đổi hết sức nhạy với độ trễ, độ thăng giáng trễ và phụ thuộc vào một số tham số mạng khác như băng thông, tỉ suất lỗi v.
Nói chung, sự mất mát gói tin trong một giới hạn nhất định chỉ gây ra sự thực thi không đều của ứng dụng phía người nhận đối với dữ liệu audio hoặc video mà người dùng không nhận ra được và thường có thể che dấu được một phần hoặc hoàn toàn. Điều này hoàn toàn ngược lại với các ứng dụng truyền thống, dữ liệu là tĩnh (text, image.) có thể chấp nhận độ trễ và độ thăng giáng trễ lớn nhưng không chấp nhận sự mất mát dữ liệu. Các ứng dụng multimedia được sử dụng trên Internet ngày nay rất đa dạng. Ở đây, chỉ xem xét ba loại ứng dụng multimedia phổ biến để thấy được những đặc điểm nổi bật của truyền thông đa phương tiện.1 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh đã đƣợc lƣu trữ trƣớc (Streaming stored audio and video) Trong ứng dụng loại này, client có thể yêu cầu nhận các file audio hoặc video được lưu trữ trên server bất kì lúc nào.
Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện loại này có 3 đặc trưng quan trọng: 1. Thông tin đa phương tiện được lưu trữ trước (Stored media): Nội dung file audio hoặc video được lưu trữ tại server. Vì thế, khi một file audio hoặc video đang chạy thì người dùng có thể thực hiện các hành động tương tác như là tạm dừng, tua đi, tua lại, nhảy tới phía trước hoặc phía sau của file. Thời gian đáp ứng các hành động này trong khoảng từ 1 cho đến 10 giây.
Gửi đi thành dòng (Streaming): Sau một vài giây, client bắt đầu chạy file audio hoặc video, trong khi nó vẫn tiếp tục nhận phần còn lại của file này từ server. Kỹ thuật này cho phép người dùng tránh phải chờ lâu để download toàn bộ file trước khi chạy file. Chơi một cách liên tục (Continuous playout): Khi bắt đầu chơi một file audio hoặc video, ứng dụng sẽ tiếp tục dựa trên thời gian ban đầu của bản ghi (âm z 14 thanh hoặc hình ảnh). Vì vậy nó đòi hỏi độ trễ end-to-end chặt chẽ hơn so với các ứng dụng truyền thống.
Độ trễ từ khi một người dùng tạo một yêu cầu (ví dụ nghe một file audio) cho đến khi hành động được thực hiện tại máy người dùng (bắt đầu nghe được) cần nằm trong khoảng từ 1 tới 10 giây, thì người sử dụng có thể chấp nhận được. Các yêu cầu đối với độ trễ gói tin và độ thăng giáng trễ trong các ứng dụng multimedia nêu trên không nghiêm ngặt bằng những yêu cầu trong ứng dụng thời gian thực có tương tác, như là Internet telephony và realtime video conferencing.2 Truyền dòng số liệu âm thanh và hình ảnh thời gian thực từ một nguồn đến nhiều đích Ứng dụng này tương tự việc phát sóng radio và TV truyền thống, ngoại trừ việc phát đi được thực hiện trên Internet, nó cho phép người dùng nhận một chương trình radio hoặc TV được phát từ một nơi nào đó trên thế giới. Một đặc điểm của loại ứng dụng này là có nhiều người dùng đồng thời nhận cùng một file audio hoặc video. Khác với ứng dụng streaming stored audio and video, loại ứng dụng này không có đặc tính stored media và không thực hiện các hành động tương tác được, một người dùng không thể dừng hoặc tua lại một chương trình đang phát cho hàng trăm người đang nghe.
Giống như các ứng dụng đa phương tiện khác, ứng dụng này cũng có đặc tính streaming, cũng đòi hỏi các yêu cầu về độ trễ và độ thăng giáng trễ, nhưng không nghiêm ngặt như các yêu cầu trong Internet telephony và realtime video conferencing. Độ trễ tối đa có thể là 10s từ khi người dùng kích hoạt một liên kết cho đến khi file audio hoặc video bắt đầu chạy. Sự phân phối dữ liệu real-time audio and video tới nhiều người nhận được thực hiện hiệu quả với phương thức đánh địa chỉ multicast.3 Truyền âm thanh và hình ảnh có tƣơng tác thời gian thực (Real-time interactive audio and video) z 15 Ứng dụng này cho phép người dùng sử dụng audio hoặc video giao tiếp với người khác trong thời gian thực. Thí dụ về một ứng dụng như vậy là điện thoại Internet (Internet phone).
Một thí dụ khác là hội thảo truyền hình (Video conferencing), cho phép một người có thể giao tiếp bằng âm thanh và hình ảnh với một hay nhiều người khác theo phương thức thời gian thực. Đây là tương tác có cảm nhận, các thành viên tham gia có thể trao đổi với nhau thông qua tiếng nói và hình ảnh trong thời gian thực. Trong ứng dụng hội thảo truyền hình, người dùng có thể nói hoặc di chuyển bất kỳ lúc nào họ muốn. Độ trễ từ khi người dùng nói hoặc di chuyển cho đến khi hành động được thực hiện tại các máy nhận phải nhỏ hơn một vài trăm mi-li-giây.3 Các tham số chất lƣợng dịch vụ Các yêu cầu chất lượng dịch vụ phải được biểu thị theo các tham số QoS đo được.
Các tham số thông thường được biết đến là: băng thông, độ trễ, độ thăng giáng trễ và sự mất mát gói tin.1 Băng thông Băng thông biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thể đạt được giữa hai điểm kết nối. Sự thiếu hụt băng thông trong mạng Internet thường xuyên xảy ra do nhiều nguyên nhân, bản thân nguồn tài nguyên mạng không đủ đáp ứng hoặc các nguồn lưu lượng cùng tranh chấp một số tài nguyên.1: Băng thông liên kết Băng thông lớn nhất của một tuyến liên kết bằng giá trị băng thông nhỏ nhất của một đoạn liên kết. Băng thông khả dụng được tính tương đối qua giá trị băng z 16 thông lớn nhất và lượng băng thông của luồng lưu lượng đã sử dụng. Một tuyến mới được chấp nhận nếu tồn tại một đường khả dụng giữa hai đầu tuyến.2 Độ trễ Độ trễ nói ở đây là độ trễ đầu cuối- đầu cuối (end-to-end), là thời gian cần thiết để gửi một gói tin từ nguồn đến đích, nó là tổng độ trễ của việc xử lý gói tin, thời gian gói tin phải xếp hàng chờ được gửi đi tại các router và thời gian đưa gói tin lên đường truyền.
Trễ truyền (transmission delay): là thời gian để đưa gói tin lên đường truyền, được tính bằng tỉ số của độ dài gói tin trên dung lượng của đường truyền. Trễ hàng đợi (queueing delay): là thời gian gói tin phải trải qua trong một hàng đợi để được truyền đi tiếp qua một liên kết khác, hay thời gian cần thiết phải đợi để thực hiện quyết định định tuyến trong bộ định tuyến. Nó có thể xấp xỉ bằng 0 hoặc rất lớn tuỳ thuộc vào số gói tin có trong hàng đợi và tốc độ xử lí. Trễ truyền lan (propagation delay): là thời gian cần thiết để tín hiệu mang nội dung thông tin (sóng điện từ) truyền qua môi trường vật lí.
Nó phụ thuộc vào khoảng cách và tốc độ truyền tín hiệu. Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện đòi hỏi độ trễ các gói tin nằm trong khoảng cho phép, được quy định bởi một ngưỡng cụ thể. Các nghiên cứu thực nghiệm cho biết, đối với Internet phone, nếu độ trễ nhỏ hơn 150 ms thì người nghe không nhận biết được độ trễ, nếu độ trễ nằm trong khoảng 150.400 ms thì có thể chấp nhận được, nếu độ trễ vượt quá 400 ms thì cuộc đàm thoại bị hỏng hoàn toàn, vì người nhận sẽ không để ý đến bất kỳ gói tin nào bị trễ hơn ngưỡng nêu trên. Do đó, các gói tin bị trễ hơn ngưỡng cho phép, thực tế được coi là bị mất.3 Độ thăng giáng trễ z 17 Một trong những thành phần chính của độ trễ end-to-end là độ trễ của gói tin tại hàng đợi, nói chung có giá trị ngẫu nhiên, chính vì vậy thời gian từ khi một gói tin được sinh ra tại nguồn cho đến khi nó được nhận tại đích có thể dao động đối với các gói tin khác nhau, sự dao động này được gọi là jitter hay là độ thăng giáng trễ.
Jitter là yếu tố ảnh hưởng lớn đến QoS của truyền thông đa phương tiện, tỉ lệ nghịch với QoS của truyền thông đa phương tiện. Trong các ứng dụng truyền thông đa phương tiện như Internet phone hoặc audio-on-demand, jitter có thể được hạn chế bằng cách thực hiện kết hợp ba kỹ thuật: đánh số thứ tự các gói tin (sequence number), gán nhãn thời gian (timestamp) và làm trễ việc chơi (delaying playout).