Quản lý băng thông tĩnh QoS mạng IP

Giới thiệu

Ngày càng nhiều ứng dụng mới hoạt động trên hạ mạng Internet sẵn có. Các ứng dụng như hội nghị truyền hình, thoại IP (VoIP), đòi hỏi lưu lượng phải đảm bảo chất lượng dịch vụ. Các yêu cầu này bao gồm băng thông, tỷ lệ mất gói và độ trễ cho phép. Các thành phần của mạng như bộ định tuyến thực hiện chức năng xử lý các luồng dữ liệu này có thể chấp nhận hoặc từ chối các luồng dữ liệu theo các điều kiện định trước. Tiến trình ra quyết định chấp nhận hay từ chối các luồng dữ liệu mới được gọi là điều khiển lưu lượng vào. Vậy điều khiển lưu lượng vào giới hạn tải trên hệ thống hàng đợi bằng cách xác định xem liệu một yêu cầu dịch vụ mới có thể đáp ứng được không trong khi vẫn đảm bảo không phá vở các cam kết đảm bảo dịch vụ cho các luồng lưu lượng đã được thiết lập. Các hệ thống hàng đợi là trung tâm trong việc cài đặt các dịch vụ mạng có điều khiển QoS.

Mô hình quản lý băng thông tĩnh

Quá trình thực hiện cam kết chất lượng dịch vụ đòi hỏi kết hợp các kỹ thuật điều khiển lưu lượng vào và các kỹ thuật phân phối lưu lượng ra. Điều khiển lưu lượng vào sẽ điều tiết gói dữ liệu đến giao diện mạng đầu vào. Phân phối lưu lượng ra định nghĩa quy tắc dịch vụ hàng đợi cho các giao diện mạng đầu ra bao gồm thứ tự các gói tin được thực sự chuyển đi. Mô hình quản lý băng thông gồm như vậy được gọi là mô hình quản lý băng thông tĩnh.

Điều khiển lưu lượng vào (Admission Control)

Giải thuật thùng đựng thẻ

Thùng đựng thẻ (token bucket) là một cơ chế điều khiển lưu lượng vào dựa trên sự xuất hiện của các thẻ trong thùng (xem hình vẽ). Thùng thẻ chứa các thẻ, mỗi thẻ đại diện cho một đơn vị lưu lượng theo byte hoặc gói tin. Để truyền một gói tin, trong thùng sẽ bị rút bớt một lượng thẻ tương ứng. Người quản trị mạng chỉ định số thẻ cần thiết tương ứng với số byte cần truyền. Khi đủ thẻ trong thùng thì dữ liệu được cho phép truyền qua, ngược lại nếu không còn thẻ thì dữ liệu sẽ không được truyền qua. Do đó, một luồng dữ liệu chỉ có thể được truyền ở tốc độ cao nhất khi đủ thẻ trong thùng.

Kỹ thuật thùng đựng thẻ

Giải thuật thùng đựng thẻ

Giải thuật thùng thẻ được trình bày như sau:

Mỗi thẻ được đưa vào thùng với tốc độ 1/r giây.
Thùng chỉ có thể chứa tối đa b thẻ.
Một thẻ sẽ bị huỷ bỏ nếu khi thẻ đến gặp lúc thùng đầy.
Khi một gói tin n byte truyền đến, n thẻ sẽ được loại khỏi thùng, sau đó gói tin sẽ được truyền qua.
Nếu số thẻ còn trong thùng nhỏ hơn n, gói tin sẽ không được truyền và được gọi là không đúng điều kiện (non-conformant), thẻ cũng sẽ không bị loại khỏi thùng.

Giải thuật cho phép tốc độ đỉnh tối đa b byte, nhưng tốc độ truyền gói tin của hệ thống bị giới hạn ở tốc độ r. Các gói tin không đúng điều kiện có thể được xử lý theo các cách sau:

Có thể bị huỷ
Có thể được xếp hàng và chờ cho đến khi đủ thẻ trong thùng
Có thể được truyền qua, nhưng được đánh dấu là không đúng điều kiện, và có thể bị huỷ nếu hệ thống mạng trong tình trạng quá tải.

Điều khiển lưu lượng vào

Nội dung chính của cơ chế điều khiển lưu lượng vào là đảm bảo tài nguyên mạng không được quá tải. Nói cách khác, nó phải đảm bảo rằng tổng tỷ lệ đăng ký sử dụng tài nguyên của mọi luồng lưu lượng truyền qua mọi kết nối mạng là không lớn hơn dung lượng của kết nối. Phương trình toán học biểu diễn như sau:

∑ i = 1 n R i ≤ μ {\displaystyle \sum _{i=1}^{n}R_{i}\leq \;\mu \;}

Trong đó µ, là dung lượng kết nối tính theo bit/giây (bits/second) và Ri là tỷ lệ lưu lượng của luồng thứ i.

Giải thuật CAR

CAR (Committed Access Rate)[3] là một trong những giải thuật điều khiển lưu lượng vào phổ biến nhất. Việc cài đặt của CAR bao gồm điều khiển lưu lượng theo luồng và phân lớp các luồng dựa trên TOS, địa chỉ IP nguồn, đích, giao thức, chỉ số cổng. Giải thuật CAR được trình bày như sau:

Giải thuật CAR

Phân lớp lưu lượng: Dựa vào các điều kiện như IP precedence, DSCP hay CoS, lưu lượng được chia thành các lớp khác nhau để xử lý.
Đo lường lưu lượng: CAR sử dụng giải thuật thùng thẻ trình bày ở trên để thực hiện việc tính toán tốc độ luồng dữ liệu.
Thực thi chính sách: Một chính sách là tổ hợp của nhiều yếu tố bao gồm:
- Các lớp lưu lượng tuân theo profile và không tuân theo profile được CAR xử lý khác nhau.
- Tốc độ cam kết trung bình xác định tốc độ truyền trung bình. Các luồng dữ liệu thấp hơn hoặc bằng với tốc độ trung bình được gọi là tuân theo profile còn nếu lớn hơn thì được gọi là không tuân theo profile.
- Kích thước đỉnh bình thường xác định đỉnh lưu lượng cho phép trước khi kiểm tra xem lưu lượng có tuân theo profile hay không.
- Kích thước đỉnh quá mức, lưu lượng nằm giữa kích thước đỉnh quá mức và kích thước đỉnh bình thường được gọi là không tuân theo profile.
- Một tác động là cách đối xử khác nhau giữa các luồng dữ liệu tuân theo và không tuân theo profile.

Tốc độ luồng dữ liệu đo được từ giải thuật thùng thẻ sẽ được phân ra làm hai loại là phù hợp và vượt ngưỡng. Các chính sách tác động lên gói tin bao gồm

Tiếp tục, kiểm tra chính sách kế tiếp.
Huỷ, huỷ gói tin.
Thiết lập IP-Prec và tiếp tục, thiết lập giá trị IP precedence trong phần mào đầu của gói tin và kiểm tra chính sách kế tiếp.
Chuyển tiếp, chuyển gói tin đi tiếp.
Thiết lập IP-Prec và chuyển tiếp, thiết lập giá trị IP precedence trong phần mào đầu của gói tin và chuyển gói tin đi tiếp.

Mô hình phân phối lưu lượng ra

Phân phối lưu lượng ra (Scheduling Algorithms)

Cơ sở của việc phân phối lưu lượng ra là cấu trúc hàng đợi. Bộ phân phối lưu lượng quyết định trật tự ra khỏi hàng của các phần tử trong hàng đợi, vì vậy chúng liên quan đến việc cấp phát tài nguyên trong các bộ chuyển mạch và định tuyến, mô hình tổng quát của bộ phân phối lưu lượng ra như trong hình sau:

Các thành phần của các giải thuật phân phối lưu lượng ra

Các giải thuật xử lý hàng đợi nhằm đưa ra 3 thông số liên quan đến việc truyền gói tin sau đây:

Băng thông – dành để truyền gói tin.
Độ ưu tiên – xác định thời điểm truyền các gói tin.
Không gian bộ đệm – nơi huỷ gói tin tại cổng ra.

Khi nghiên cứu việc cấp phát băng thông động, rõ ràng rằng giải thuật phân phối lưu lượng ra tại cổng vào/ra của bộ định tuyến đóng vai trò quyết định nhất trong việc cấp phát băng thông cho các luồng hoặc các kết hợp luồng dữ liệu. Trong nghiên cứu cấp phát băng thông trên kết nối chia sẻ, chúng ta tập trung đến những nút cổ chai cho các giải pháp yêu cầu trên quản lý luồng dữ liệu. Trên đường dẫn dữ liệu, các tác vụ tốn nhiều chi phí là phân lớp theo luồng và phân phối lưu lượng ra. Trên đường dẫn điều khiển, sự phức tạp là bảo trì tính bền vững và trạng thái động trong môi trường phân tán. Trong các nội dung trên, cách dễ nhất để giảm độ phức tạp của giải thuật phân phối lưu lượng ra là sự cân nhắc giữa độ phức tạp và tính linh hoạt của bộ phân phối lưu lượng ra. Vì vậy, công việc của chúng ta tập trung vào việc cài đặt hiệu quả giải thuật phân phối lưu lượng ra nhằm điều khiển việc cấp phát băng thông thực sự, yêu cầu mà giải thuật cấp phát băng thông và không gian bộ đệm tuỳ theo các điều kiện và các yêu cầu QoS của một kết hợp luồng.