Đề tài Giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trên mạng IP, đánh giá và so sánh hiệu quả đảm bảo QoS của DiffServ và IntServ

2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN MẠNG IP, ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QoS CỦA DIFFSERV VÀ INTSERV LUẬN VĂN THẠC SĨ 3 Hà Nội – 2010 4 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN MẠNG IP, ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ ĐẢM BẢO QoS CỦA DIFFSERV VÀ INTSERV Ngành: Công Nghệ Thông Tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính Mã số: 60.48.15 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Hồ Sĩ Đàm Hà Nội – 2010 5 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực. Những tư liệu được sử dụng trong luận văn có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng, đầy đủ. Hà nội, tháng 9 năm 2010 Nguyễn Thị Phương Nhung 6 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Hồ Sĩ Đàm người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Sự giúp đỡ quý báu của thầy giáo đã tạo điều kiện về mặt khoa học và là nguồn động viên tinh thần rất lớn giúp tôi hoàn thành luận văn của mình. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ths Lê Đình Thanh, người đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ và đóng góp quý báu cho tôi thực hiện các mô phỏng kiểm chứng. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo đã giảng dạy và truyền thụ kiến thức cho tôi trong quá trình học tập tại trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Cuối cùng, con xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới bậc sinh thành, người đã dưỡng dục và động viên con trong suốt cuộc đời. Tôi cảm ơn chồng và người thân trong gia đình đã là nguồn động viên tinh thần rất lớn đối với tôi. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG NHUNG 7 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................2 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................6 MỤC LỤC...................................................................................................................7 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT...........................................................9 DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................11 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................12 MỞ ĐẦU...................................................................................................................15 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ.........................................17 1.1 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) VÀ CÁC THAM SỐ QoS .............................17 1.1.1 Giới thiệu chung về QoS ...........................................................................17 1.1.2 Các thành phần thực hiện QoS ..................................................................21 1.1.3 Các tham số QoS đặc trưng.......................................................................24 1.2 CÁC YÊU CẦU ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ...................................26 1.3 CÁC VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO QoS .........................................................................27 1.3.1 Cung cấp QoS ...........................................................................................28 1.3.2 Điều khiển QoS.........................................................................................28 1.3.3 Quản lý QoS .............................................................................................29 Chương 2 ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG IP .........................30 2.1 GIAO THỨC LIÊN MẠNG (IP – INTERNET PROTOCOL) .............................30 2.1.1 Phần tiêu đề gói IP ....................................................................................31 2.1.2 Địa chỉ IP..................................................................................................32 2.1.3 Các giao thức định tuyến...........................................................................33 2.1.4 Các cơ chế truyền tải.................................................................................34 2.2 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG IP (QoS IP)..............34 2.2.1 Lịch sử phát triển các mô hình QoS IP ......................................................34 2.2.2 Các tham số cơ bản ảnh hưởng tới QoS IP thực tế.....................................36 2.3 CÁC CHỨC NĂNG CHUNG CỦA QoS IP .......................................................39 2.4 CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO QoS IP................................................................42 2.4.1 Kỹ thuật đo lưu lượng và màu hóa lưu lượng ............................................42 2.4.2 Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực............................................................46 2.4.3 Kỹ thuật lập lịch cho gói tin ......................................................................47 2.4.4 Kỹ thuật cắt lưu lượng ..............................................................................50 2.5 KẾT LUẬN ........................................................................................................52 Chương 3: MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP ................................................53 3.1 MÔ HÌNH DỊCH VỤ TÍCH HỢP - INTSERV .....................................................53 8 3.1.1 Giới thiệu chung .......................................................................................53 3.1.2 Giao thức dành trước tài nguyên RSVP.......................................................57 3.2 MÔ HÌNH DỊCH VỤ PHÂN BIỆT - DIFFSERV ..................................................64 3.2.1 Tổng quan về mô hình DiffServ..................................................................64 3.2.2 Miền dịch vụ phân biệt và điểm mã dịch vụ phân biệt .................................66 3.2.4 Xử lý gói tin trong DiffServ ........................................................................68 3.3 KHUYẾN NGHỊ TRIỂN KHAI QoS TRÊN MẠNG IP ........................................73 3.4 KẾT LUẬN ........................................................................................................73 Chương 4 ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH ĐẢM BẢO QoS IP QUA MÔ PHỎNG ............74 4.1 ĐÁNH GIÁ CHUNG...........................................................................................74 4.2 MÔ PHỎNG VÀ KIỂM TRA QoS .....................................................................75 4.2.1 Tổng quan chương trình mô phỏng mạng NS2 ..........................................75 4.2.2 Mô phỏng mô hình DiffServ .....................................................................79 KẾT LUẬN ...............................................................................................................88 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................89 9 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AF AL AQM ATM ACS AF BA BB BE B-ISDN CBR CBS CIR CoS CR DiffServ DLL DS DSCP ECN EF ER ETSI FIFO FLOWSPEC FQ FSI GoS GS IETF IntServ IPLR IPTD IPER ISO Assured Forwarding Application Layer Active Queue Management Asychronous Transfer Mode Access Control System Assured Forward Behavior Aggressive Bandwith Broker Best-Effort Broadband ISDN Constant Bit Rate Committed Burst Size Committed Information Rate Class of Service Core Router Differentiated Services Data Link Layer Differentiated Server Differentiated Services Code Point Explicit Congestion Notification Expedited Forwarding Edge Router European Telecommunications Standards Institute First In First Out Flow Specification Fair Queueing Flow State Information Grade of Sevice Guaranteed Service Internet Engineering Task Force Intergrated Service IP Loss Rate IP Packet Transfer Delay IP Error Rate International Standard Organization Chuyển tiếp đảm bảo Tầng ứng dụng Quản lý hàng đợi tích cực Chế độ truyền tải không đồng bộ Hệ thống điều khiển truy nhập Chuyển tiếp đảm bảo Kết hợp hành vi Phân bổ băng thông Cố gắng tối đa Mạng tích hợp đa dịch vụ băng rộng Tốc độ bit cố định Kích thước bùng nổ cam kết Tốc độ thông tin cam kết Lớp dịch vụ Bộ định tuyến lõi Dịch vụ phân biệt Tầng liên kết dữ liệu Server phân biệt Điểm mã dịch vụ phân biệt Thông báo tắc nghẽn tường minh Chuyển tiếp nhanh Bộ định tuyến biên Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu Vào trước ra trước Đặc tả luồng Hàng đợi công bằng Thông tin trạng thái luồng Cấp độ dịch vụ Dịch vụ đảm bảo Uỷ ban thực thi kỹ thuật Internet Dịch vụ tích hợp Tỷ lệ mất gói IP Trễ truyền tải gói tin IP Tỷ lệ lỗi gói tin IP Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế 10 IPv4 IPv6 ITU-T MF MPLS NL NNI NP PBS PHB PIR PQ QoS RA RED RFC RSVP SACP SE SLA SNMP srTCM TCA TL ToS trTCM UBR UNI VBR VoIP VPN WF WFQ WRED WRR Internet Protocol version 4 Internet Protocol version 6 International Telecommunication Union Multi Fields MultiProtocol Label Switching Network Layer Network Node Interface Net Performance Packet Burst Size Per-Hop forwarding Behaviour Peak Information Rate Priority Queueing Quality of Service Resource Allocation Random Early Detection and Discard Request For Comments Resource Reservation Protocol Simple Acceptance Control Protocol Shared Explicit Service Level Argreement Simple Network Management Protocol Single rate Three Color Marker Traffic Conditioning Agreement Transmission Layer Type of Service Two rate Three Color Marker Undefined Bit rate User Network Interface Variable Bit Rate Voice over IP Virtual Private Network Wildcard Filter Weighted Fair Queueing Weighted Random Early Discarding Weighted Round Robin Giao thức Internet phiên bản 4 Giao thức Internet phiên bản 6 Hiệp hội viễn thông quốc tế Đa trường Chuyển mạch nhãn đa giao thức Tầng mạng Giao diện nút mạng Hiệu năng mạng Kích thước bùng nổ gói Hành vi chuyển tiếp theo từng chặng Tốc độ thông tin đỉnh Hàng đợi ưu tiên Chất lượng dịch vụ Cấp phát tài nguyên Phát hiện và loại bỏ sớm ngẫu nhiên Các yêu cầu cần trả lời Giao thức dành trước tài nguyên Giao thức điều khiển chấp nhận đơn giản Chia sẻ tường minh Thoả thuận mức dịch vụ Giao thức quản lý mạng đơn giản Bộ đánh dấu 3 màu tốc độ đơn Thoả thuận điều kiện lưu lượng Tầng truyền dẫn Kiểu dịch vụ Bộ đánh dấu 3 màu hai tốc độ Tốc độ bit không xác định Giao diện người dùng mạng Tốc độ bit thay đổi Thoại qua IP Mạng riêng ảo Bộ lọc Wildcard Hàng đợi công bằng theo trọng số Loại bỏ sớm ngẫu nhiên theo trọng số Quay vòng theo trọng số 11 DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 1.1. Các đặc tính phân lớp QoS cho mạng IP theo ITU-T .................................26 Bảng 1.2. Phân lớp QoS theo quan điểm của ETSI ....................................................26 Bảng 1.3. Các vùng dịch vụ của B-ISDN ...................................................................27 Bảng 1.4. Phân vùng dịch vụ theo diễn đàn ATM ......................................................27 Bảng 3.1: Các kiểu dành trước tài nguyên..................................................................58 Bảng 3.2. Các bit sử dụng cho điều khiển chia sẻ......................................................61 Bảng 3.3. Các bít sử dụng cho điều khiển lựa chọn máy gửi .....................................61 Bảng 3.4. Các tham số của các đối tượng CL khác nhau ............................................63 Bảng 3.5. Các tham số của dịch vụ cam kết Rspec ....................................................63 Bảng 3.6. Các khối điểm mã dịch vụ phân biệt DSCP...............................................67 Bảng 3.7. Chi tiết các phân lớp chuyển tiếp đảm bảo AF PHB ..................................70 Bảng 4.1. So sánh mô hình IntServ và DiffServ .........................................................75 12 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình Trang Hình 1.1. Mô hình QoS tổng quát .............................................................................17 Hình 1.2. Kiến trúc cơ bản của QoS ..........................................................................18 Hình 1.3. Các mức của chất lượng dịch vụ đầu cuối-đầu cuối ...................................19 Hình 1.4. Các đặc điểm cơ bản của chất lượng dịch vụ .............................................20 Hình 1.5. Hàng đợi vào trước ra trước trong router ...................................................22 Hình 1.6. Classify, Queue và Schedule trong router ..................................................23 Hình 1.7. Cơ chế traffic shaping trong router ............................................................23 Hình 1.8. Các thành phần trong cơ cấu đảm bảo chất lượng dịch vụ ..........................28 Hình 2.1. Chồng giao thức TCP/IP ............................................................................30 Hình 2.2. Khuôn dạng phần tiêu đề gói IP..................................................................31 Hình 2.3. Các lớp địa chỉ IP .......................................................................................33 Hình 2.4. Các bước phát triển của mô hình QoS [12]. ................................................34 Hình 2.5. Dịch vụ Intserv và dịch vụ Diffserv [19]. ...................................................35 Hình 2.6. Băng thông khả dụng..................................................................................37 Hình 2.7. Trễ tích lũy từ đầu cuối tới đầu cuối ...........................................................38 Hình 2.8. Trễ xử lý và hàng đợi .................................................................................38 Hình 2.9. Mất gói vì hiện tượng tràn bộ đệm đầu ra ...................................................39 Hình 2.10. Các chức năng đảm bảo QoS của bộ định tuyến IP ...................................40 Hình 2.11. Phương pháp phân loại gói đa trường chức năng ......................................40 Hình 2.12. Phương pháp phân loại gói theo kết hợp hành vi ......................................41 Hình 2.13. Khoảng thời gian CBS trong CIR của tốc độ lưu lượng đầu vào đơn ........43 Hình 2.14. Chế độ mù màu srTCM với gáo C và gáo E..............................................43 Hình 2.15. Chế độ hoạt động rõ màu srTCM .............................................................44 Hình 2.16. Gáo rò C, P và chế độ hoạt động mù màu của trTCM ...............................45 Hình 2.17. Chế độ hoạt động rõ màu của trTCM........................................................45 Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED ........................................................46 Hình 2.19. Hoạt động thông báo tắc nghẽn tường minh ECN.....................................47 Hình 2.20. Hàng đợi ưu tiên PQ.................................................................................48 Hình 2.21. Hàng đợi cân bằng FQ..............................................................................49 Hình 2.22. Hàng đợi quay vòng theo trọng số WRR ..................................................49 Hình 2.23: Chia cắt lưu lượng thuần ..........................................................................51 Hình 2.24: Chia cắt lưu lượng bùng nổ kiểu gáo rò....................................................51 Hình 3.1. Mô hình dịch vụ tích hợp IntServ ..............................................................54 13 Hình 3.2. Cấu trúc mạng IntServ...............................................................................58 Hình 3.3. Khuôn dạng bản tin RSVP và tiêu đề chung RSVP ...................................59 Hình 3.4. Khuôn dạng bản tin đối tượng RSVP.........................................................60 Hình 3.5. Khuôn dạng đối tượng kiểu .......................................................................60 Hình 3.6. Cấu trúc bản tin Path và Resv trong RSVP .................................................61 Hình 3.7. Tổng quan mô hình DiffServ.....................................................................64 Hình 3.8. Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng ................................................65 Hình 3.9. Mô hình các bước dịch vụ phân biệt DiffServ ...........................................66 Hình 3.10. Miền dịch vụ phân biệt DS ......................................................................67 Hình 3.11. Cấu trúc của trường phân biệt dịch vụ DS ................................................67 Hình 3.12. Hoạt động của BB ...................................................................................68 Hình 3.13. Xử lý chuyển tiếp nhanh EF PHB............................................................69 Hình 3.14. Các phân lớp AF PHB .............................................................................70 Hình 3.15. Cấu trúc của byte TOS ............................................................................71 Hình 4.1. Mô hình NS2 đơn giản ...............................................................................76 Hình 4.2. Tương ứng C++ và Otcl .............................................................................76 Hình 4.3. Kiến trúc của NS ........................................................................................77 Hình 4.4. Sơ đồ hoạt động của NS2 ...........................................................................77 Hình 4.5. Các trường của tệp bám vết .......................................................................78 Hình 4.6. Mô hình khảo sát ........................................................................................85 Hình 4.7. Đồ thị mô tả mất gói trong khoảng thời gian 120s ......................................86 Hình 4.8. Đồ thị mô tả thông lượng trong khoảng thời gian 120s ..... Error! Bookmark not defined. Hình 4.9. Độ trễ hàng đợi của lớp lưu lượng ................Error! Bookmark not defined. 14 15 MỞ ĐẦU 1. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ngày nay, với sự bùng nổ của Internet, việc kết nối và sử dụng Internet ngày càng đa dạng, phong phú, chính vì vậy tầm quan trọng của việc đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) ngày càng tăng. Với sự ra đời của các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP), việc ổn định “chất lượng của Internet” cần phải được đảm bảo. Điều đó có nghĩa là các nhà cung cấp Internet tạo ra cho người dùng những dịch vụ đa dạng, phong phú và cốt yếu là phải đảm bảo chất lượng dịch vụ đó. Mạng Internet hiện nay cung cấp dịch vụ trên cơ sở phục vụ theo khả năng tối đa (best - effort), tức là không có bất cứ một cam kết nào được đưa ra từ phía nhà khai thác về chất lượng dịch vụ. Thay vào đó, tùy thuộc vào trạng thái cụ thể của mạng, mạng chủ sẽ thực hiện những khả năng tốt nhất của mình để phục vụ lưu lượng cho dịch vụ [9]. Đây là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy nghiên cứu mạnh mẽ về QoS trên nền mạng IP trong những năm gần đây. Chất lượng dịch vụ là một thành phần quan trọng của các mạng gói đa dịch vụ. Vấn đề chất lượng dịch vụ và đánh giá chất lượng dịch vụ luôn là vấn đề đóng vai trò quan trọng đối với tất cả các loại hình dịch vụ viễn thông. Mỗi loại hình dịch vụ sẽ quan tâm tới QoS ở những khía cạnh khác nhau. Việc tích hợp nhiều ứng dụng với các yêu cầu về QoS khác nhau đòi hỏi phải có một mô hình đảm bảo QoS cho các dịch vụ này. Hướng tiếp cận QoS theo mô hình IntServ và DiffServ rất phù hợp với