Tìm hiểu về QoS

1. Khái niệm Chất lượng dịch vụ (QoS) là một thuật ngữ dùng để chỉ chất lượng của một hệ thống truyền thông hay một kết nối truyền thông trong mạng viễn thông. 2. Nhu cầu về QoS Theo truyền thống, khi nhu cầu về băng thông tăng lên, hiện tượng nghẽn mạng có thể xảy ra. Ta có thể giải quyết bằng cách tăng băng thông kết nối hoặc dùng thiết bị phần cứng khác thay thế. Nhược điểm cách này là không chỉ ra cách thức để ưu tiên một loại traffic này so với một traffic khác. QoS là một công cụ tổng thể được dùng để bảo vệ, ưu tiên một số traffic quan trọng hoặc các traffic đòi hỏi xử lý nhanh về thời gian. QoS sẽ mô tả cách thức packet được chuyển mạch (forward) như thế nào. Các ứng dụng khác nhau sẽ có các nhu cầu khác nhau cho việc truyền dữ liệu. Ví dụ web, video, audio Khi một packets đi từ host này đến host kia, một gói tin (packet) có thể gặp các vấn đề: - Delay: do routers xử lý tìm kiếm trong bảng routing table, thời gian packet truyền trên đường truyền. - Jitter: các packets không đến đúng như thời gian dự định. Các dữ liệu dạng audio sẽ bị ảnh hưởng nhiều bởi vấn đề này. - Loss: mất packets Trong các mạng số liệu, QoS được đánh giá qua các tham số chính sau:  - Độ sẵn sàng của dịch vụ - Độ trễ  - Độ biến động trễ - Thông lượng - Tỷ lệ tổn thất gói (packet loss rate): tỷ lệ các gói bị mất, bị hủy, và bị lỗi khi đi trong mạng.  Chất lượng dịch vụ được áp dụng cho từng luồng dữ liệu riêng biệt hoặc một nhóm luồng Luồng được xác định dựa vào 5 thông tin: giao thức lớp vận chuyển, địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, chỉ số cổng nguồn, chỉ số cổng đích. 3. Các mô hình QoS Best-effort delivery Một network chỉ đơn thuần chuyển những gói tin mà nó nhận được. Switch và router chỉ cố gắng hết sức (best-effort) để chuyển gói tin đi mà không bận tâm đến kiểu của traffic hay độ ưu tiên của dịch vụ. Intergrated services(IntServ) Sắp xếp đường đi trước từ nguồn đến đích cho các dữ liệu được ưu tiên. Mỗi thiết bị mạng trên đường đi phải kiểm tra xem nó có thể hỗ trợ cho yêu cầu trên hay không. Khi yêu cầu tối thiểu được đáp ứng, ứng dụng nguồn sẽ được thông báo xác nhận. Sau đó, ứng dụng có thể sử dụng đường truyền. Differentiated services (DiffServ) Giải pháp IntServ tỏ ra không hiệu quả và không có khả năng mở rộng khi nhiều source phải cạnh tranh với nhau về băng thông. Trong giải pháp Differentiated, mỗi router và switch sẽ quản lý packet riêng lẻ. Mỗi router sẽ có một chính sách riêng để quản lý và sẽ tự quyết định cách thức chuyển gói tin theo cách riêng. InterServ sẽ quản lý theo kiểu per-flow, trong khi DiffServ sẽ quản lý theo kiểu per-hop. Mỗi router và switch sẽ kiểm tra gói tin (packet) để quyết định sẽ chuyển tiếp gói tin (forward packet) đó như thế nào. Đối với mỗi gói tin nó sẽ đơn thuần gán vài thông số vào header. Việc phân loại có thể diễn ra ở Layer 2 hoặc Layer 3 - Layer 2: thông thường, một frame sẽ không có trường (field) nào để phân loại frame. Tuy nhiên, khi frame được truyền giữa switch và switch, frame có thể được phân loại dựa vào CoS Trong kiểu đóng gói đường trunk dot1q, mỗi frame được thêm vào 12 bit vlan-id và 1 field gồm 3 bit để chỉ ra độ ưu tiên. - Layer 3: DCSP Dùng trường (field) ToS trong gói tin IP (IP datagram)  4. Quản lý nghẽn và tránh nghẽn Cơ chế quản lý nghẽn, còn được gọi là cơ chế hàng đợi (queuing), muốn chỉ đến cách thức mà một router hay một switch quản lý một gói tin hay một frame khi dữ liệu đó đang chờ để đi qua một cổng. Với router, quá trình chờ đợi thường diễn ra khi tiến trình đẩy gói IP đã hoàn tất. Vì vậy, cơ chế hàng đợi thường chỉ được xem xét là hàng đợi ra. Các Switch thường hỗ trợ cả hàng đợi vào và hàng đợi ra, trong đó hàng đợi vào thường được dùng để nhận frame đang được truyền ra ngõ ra của switch. Công cụ tránh nghẽn muốn chỉ đến thuật toán được dùng khi quyết định có hay không và khi nào thì gói tin nên bị loại bỏ khi một hệ thống hàng đợi đã bị quá tải.  Các công nghệ hàng đợi: FIFO, PQ, CQ, WFQ, - Hàng đợi FIFO Nguyên nhân chủ yếu cho việc dùng giải pháp hàng đợi là một router cần giữ một gói tin trong bộ nhớ khi cổng ra của router đang bận gửi một gói tin khác. Cơ chế FIFO đơn giản sẽ cung cấp một hàng đợi mềm để lưu tạm gói tin khi gói tin đang chờ đi ra khỏi một cổng. Các gói tin được định thời để rời khỏi cổng dựa trên thời điểm mà nó đến cổng ra của router. - Hàng đợi ưu tiên (Priority queuing) Điểm khác biệt lớn nhất của PQ là trong phần định thời của nó. PQ định thời lưu lượng sao cho các hàng đợi mức cao luôn luôn được phục vụ trước. Cơ chế định thời của PQ có vài ưu điểm và nhược điểm rõ ràng. Các gói tin trong hàng đợi ưu tiên cao sẽ nhận mức dịch vụ tuyệt vời, loại lưu lượng này có thể chiếm 100% băng thông của kết nối và có độ trễ thích hợp. Tuy nhiên, khi cổng của router đã trở nên bị nghẽn, các hàng đợi có độ ưu tiên thấp hơn sẽ chịu hiện tượng hàng đợi chết, không có băng thông với thời gian delay tăng cao. Mặc dầu phần định thời là phần hay nhất của PQ, cơ chế PQ cũng còn nhiều đặc tính khác. PQ phân loại các gói tin vào 4 hàng đợi thông qua các cách phân loại khác nhau. Tuy nhiên, PQ hỗ trợ các tùy chọn phân loại ít hơn các cơ chế hàng đợi CBWFQ và LLQ PQ dùng cơ chế loại bỏ cuối hàng tail-drop, vì vậy khi một gói tin mới đến một hàng đợi và hàng đợi này bị đầy, gói tin mới sẽ bị loại bỏ. Chiều dài của hàng đợi có thể cấu hình đến các mức khác nhau. - Custom Queuing (CQ) Kiểu hàng đợi CQ giải quyết vấn đề lớn nhất của PQ bằng cách cung cấp một băng thông tối thiểu đến từng hàng đợi, vì vậy CQ tránh được hiện tượng hàng đợi bị chết. CQ có 15 hàng đợi, mặc định cho 16 nhóm lưu lượng khác nhau. Cũng có một hàng đợi ẩn dành cho các lưu lượng quan trọng gọi là hàng đợi hệ thống (system queue). Ta không thể cấu hình để thay đổi hay tắt hàng đợi hệ thống Khía cạnh tiêu cực của cơ chế CQ khi so sánh với PQ là việc thiếu một hàng đợi có độ ưu tiên cao luôn luôn được phục vụ trước các hàng đợi khác. CQ không có cách nào để đảm bảo một dịch vụ có độ ưu tiên thấp cho một loại lưu lượng nào đó. Bộ phận định thời của CQ dành ra một phần đáng kể của băng thông cho từng hàng đợi. Cơ chế định thời của CQ thực hiện theo kiểu xoay vòng round-robin trên mỗi hàng đợi. CQ sẽ nhận gói tin từ hàng đợi, cho đến khi nào đạt được hoặc vượt quá tổn số byte chỏ định cho một hàng đợi - Hàng đợi theo trọng số (Weighted Fair Queuing – WFQ) WFQ khác với PQ và CQ ở vài điểm. sự khác biệt lớn nhất là WFQ không cho phép người quản trị can thiệp vào quá trình phân loại lưu lượng. WFQ tự động phân loại các gói tin dựa vào thông tin về dòng lưu lượng, trong đó từng dòng sẽ được đặt trong một hàng đợi riêng lẻ. Một dòng được định nghĩa bao gồm tất cả các gói tin có cùng giá trị như: + Địa chỉ IP nguồn  + Địa chỉ IP đích + Giao thức lớp transport + Địa chỉ cổng nguồn TCP hay UDP + Địa chỉ cổng đích TCP hay UDP + Giá trị độ ưu tiên của gói tin IPP (IP Precedence) Bởi vì WFQ phân các gói tin vào các dòng lưu lượng khác nhau và sau đó đưa các dòng vào trong những hàng đợi khác nhau, router sẽ có số hàng đợi khác nhau. Số hàng đợi này nhiều hơn bất kỳ các công cụ hàng đợi khác. Cơ chế định thời WFQ dùng các thuật toán hoàn toàn khác với các thuật toán của các công cụ hàng đợi khác ở điểm nó có thể quản lý một số lượng lớn các hàng đợi. tuy nhiên, mục đích tổng thể của WFQ là rất dễ hiểu và được tóm tắt như sau: + Các dòng có cùng độ ưu tiên IPP của gói tin IP sẽ được cấp cùng một mức băng thông bất chấp có bao nhiêu byte trong mỗi dòng lưu lượng + Đối với những dòng có những giá trị IPP khác nhau, các dòng có độ ưu tiên IPP cao hơn sẽ được cấp một lượng băng thông cao hơn. + Kết quả là WFQ sẽ ưu tiên cho những dòng có dung lượng nhỏ và có độ ưu tiên cao. Tiến trình định thời WFQ + Để đạt được mục đích cấp phát băng thông, WFQ dùng bộ định thời khá đơn giản. Bộ định thời sẽ lấy gói tin có chỉ số tuần tự thấp nhất khi nó cần chuyển gói tin kế tiếp đến hàng đợi phần cứng. + Cơ chế WFQ sẽ gán mội gói tin một chỉ số tuần tự (Sequence Number) khi gói tin đi vào hàng đợi WFQ. Tiến trình gán chỉ số tuần tự cũng là một phần quan trọng trong cơ chế định thời của WFQ. Bộ định thời WFQ sẽ tính toán chỉ số tuần tự dựa trên nhiều thông số của dòng lưu lượng, bao gồm cả chiều dài và độ ưu tiên của gói tin. 5. Giám sát lưu thông mạng Giám sát lưu thông mạng là nền tảng của QoS cung cấp cơ sở hạ tầng IP, đảm bảo hiệu quả cho hiệu suất của ứng dụng và đạt hiệu quả tốt nhất trong việc sử dụng băng thông mạng. Áp dụng QoS cho IP Telephony: Một trong những ứng dụng trong mạng IP là cho phép chia sẻ lưu thông voice với những lưu thông dữ liệu. Sự chia sẻ trên giúp cho giảm chi phí đường truyền bằng cách giàm thiểu những kết nối và sử dụng những kết nối có sẵn trong cơ sở hạ tầng mạng với việc triển khai hệ thống mạng VoIP vào hệ thống mạng IP đã có sẵn. Để đảm bảo chất lượng voice thì QoS phải là một yếu tố cần phải cân nhắc trong việc triển khai mạng VoIP.