Đánh giá hiệu năng đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP qua mô hình Diffserv - Nguyễn Thị Phương Nhung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 74 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN NỀN MẠNG IP QUA MÔ HÌNH DIFFSERV Nguyễn Thị Phương Nhung1*, Lê Đình Thanh2, Hồ Sĩ Đàm2 1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên, 2Trường Đại học Công nghệ - ĐH Quốc gia Hà Nội TÓM TẮT Chất lượng dịch vụ (QoS) là một thành phần quan trọng của các mạng gói đa dịch vụ. Các mạng hỗ trợ QoS có thể cung cấp đồng thời các loại dịch vụ khác nhau bằng cách xử lý hợp lý lưu lượng ở điểm tắc nghẽn. DiffServ đang trở thành kiến trúc QoS phổ biến trong các mạng gói IP. Bài viết giới thiệu cách thức hoạt động của mô hình DiffServ, cách thức xử lý gói và mỗi loại lưu lượng được ánh xạ tới một PHB (Per-Hop Behavior). Các PHB được thực hiện tại các bộ định tuyến bằng cách xếp hàng và quản lý ở điểm tắc nghẽn. Vì vậy, bằng cách ánh xạ các loại lưu lượng tới PHB khác nhau, bộ định tuyến có thể đảm bảo chất lượng các dịch vụ mạng. Ngày nay, với sự bùng nổ của Internet, việc sử dụng Internet rất đa dạng và phong phú, vì vậy, tầm quan trọng của việc đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng IP ngày càng tăng. Bài viết đưa ra những lợi thế của DiffServ đối với kiến trúc IP và đánh giá hiệu năng của mô hình DiffServ qua mô phỏng. Từ khóa: Mô hình DiffServ, QoS.  ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, Internet đã trở thành công nghệ tiêu chuẩn, kết nối mở các hệ thống tính toán và các mạng thông tin không đồng nhất. Với sự ra đời của các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP - Internet Service Provider), 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 cung cấp dịch vụ trên cơ sở phục vụ theo khả năng tối đa BE (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 của dịch vụ. Đây là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy nghiên cứu mạnh mẽ về QoS trên nền mạng IP trong những năm gần đây. Trước đây có ba phương pháp thường được sử dụng để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng IP. Nhưng trên thực tế, các mô hình  Tel: 0983829123, Email: nhungktpm@gmail.com này không thực sự đảm bảo được QoS xuyên suốt (end-to-end). Đã có nhiều cố gắng để thay đổi điều này nhằm đạt được một mức QoS cao hơn cho mạng IP và một trong những cố gắng đó là sự ra đời của mô hình dịch vụ phân biệt (DiffServ - Differentiated Services). DiffServ sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để hỗ trợ các dịch vụ ưu tiên qua mạng IP. Một số tham số đặc trưng cơ bản của QoS được xác định: - Độ trễ thực hiện kết nối mạng; - Lưu lượng đường truyền dữ liệu; - Tỉ suất lỗi; - Xác suất hủy bỏ kết nối Việc đánh giá hiệu năng mạng máy tính được thực hiện thông qua đánh giá một tập hợp các đặc trưng cơ bản nói trên. Tuy nhiên đó là tập hợp mở, chúng liên tục được bổ sung và điều chỉnh, phụ thuộc vào từng mô hình cụ thể. ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN NỀN MẠNG IP – QOS IP IETF [ETSI - TR102] nhìn nhận QoS là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đối với các kiểu luồng Nguyễn Thị Phương Nhung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 74 - 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 75 lưu lượng [5]. QoS bao trùm cả phân loại hóa dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ. Cho đến nay vẫn chưa có một khái niệm hoàn chỉnh về chất lượng dịch vụ, mặc dù vậy ta có thể hiểu chất lượng dịch vụ là điều kiện để việc cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu trên mạng phù hợp với các ứng dụng và đảm bảo sự nhận biết của người dùng. Chất lượng dịch vụ bao gồm tập hợp các tiêu chí đặc trưng cho yêu cầu của từng loại lưu lượng cụ thể trên mạng như độ trễ, jitter (sự thay đổi độ trễ), tỉ lệ mất gói... Hình vẽ sau đây biểu diễn một mô hình QoS tổng quát: ` ` APAP QoS Mạng Mạng NP NP NP Hình 1. Mô hình QoS IP tổng quát Mô hình dịch vụ phân biệt - DiffServ Nhóm làm việc của IETF đã phát triển mô hình DiffServ để hỗ trợ cho các ứng dụng thời gian thực trên mạng Internet [8]. Cách tiếp cận của DiffServ không xử lý theo từng luồng lưu lượng riêng biệt mà ghép chúng vào một số lượng hạn chế các lớp lưu lượng. DiffServ hướng tới xử lý trong từng dịch vụ phân biệt thay vì xử lý từ đầu cuối tới đầu cuối như mô hình IntServ. Hình 2. Tổng quan mô hình DiffServ Đối với mỗi loại dịch vụ, DiffServ định nghĩa cách thức xử lý các gói IP tại các bộ định tuyến lõi. Gói IP của dịch vụ ưu tiên nhận được cách xử lý chuyển tiếp nhanh (EF-PHB - Expedited Forwarding-Per Hop Behaviour), đối với gói IP của dịch vụ đảm bảo nhận được cách xử lý chuyển tiếp đảm bảo (AF-PHB - Assured Forwarding-Per Hop Behaviour) [6], [8]. Nguyên lý hoạt động của DiffServ Khi bắt đầu đi vào mạng DiffServ tại bộ định tuyến biên, gói tin IP sẽ được phân loại. Bộ định tuyến biên thực hiện việc phân loại bằng cách kiểm tra mã DSCP (DiffServ Code Point) chứa chủng loại dịch vụ nằm trong phần đầu gói cùng với một số dữ liệu khác liên quan tới luồng vi mô của gói IP. Các gói tin đến bộ định tuyến có thể đã được đánh dấu hoặc chưa đánh dấu, bộ định tuyến xác định điểm mã điều khiển dịch vụ DSCP của góitin và phân loại các gói tin theo phương pháp phân loại kết hợp hành vi BA (Behavior Aggressive). Các gói tin phân loại thành các lớp BA được chuyển tiếp theo hành vi chuyển theo từng chặng PHB (Per Hop Behavior) được định nghĩa trước cho các BA. Mỗi PHB được thể hiện bởi giá trị DSCP và xử lý giống nhau đối với các gói tin trong cùng lớp BA. Hình 3. Mô hình các bước của DiffServ Sau khi chủng loại của gói IP được xác định, bộ định tuyến biên sẽ áp dụng một số giải pháp điều chỉnh tiếp theo cho gói tin nếu cần thiết. Tùy thuộc vào mức độ tuân thủ cụ thể của gói IP và mức độ chặt chẽ của DiffServ, giải pháp được bộ định tuyến biên sử dụng có thể là đánh dấu gói, điều chỉnh gói (loại bỏ gói hoặc làm trễ gói một thời gian nhất định trước khi chuyển tiếp). Bộ định tuyến lõi có nhiệm vụ kiểm tra chủng Nguyễn Thị Phương Nhung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 74 - 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 76 loại của gói IP và chuyển tiếp gói tin IP theo cách gói tin đó được nhận, bao gồm định tuyến cho gói, hoặc xếp gói vào bộ đệm thích hợp nếu cần thiết. Mặc dù đã khắc phục được nhược điểm về tính áp dụng rộng của IntServ nhưng mô hình DiffServ chỉ có khả năng đảm bảo QoS cho luồng IP tổng. Hiện nay, mô hình DiffServ vẫn chưa được các nhà cung cấp dịch vụ triển khai trong mạng của họ cũng bởi nguyên nhân là sự cần thiết phải đầu tư nâng cấp mạng, thiếu động lực triển khai do tính tiện lợi của cung ứng thừa dung lượng cũng lý giải cho hiện trạng này. Các phương pháp xử lý gói trong DiffServ Nhóm làm việc về DiffServ của IETF định nghĩa hai loại PHB trong RFC 2598 [6], RFC 3246 và RFC 2597 [6]: Chuyển tiếp nhanh EF (Expedited Forwarding) và Chuyển tiếp đảm bảo AF (Assured Forwarding). Chuyển tiếp nhanh EF PHB Chuyển tiếp nhanh được yêu cầu đưa ra các dịch vụ với khả năng tổn hao thấp, trễ thấp, thay đổi trễ thấp và đảm bảo băng thông. Một bộ định tuyến EF phải đảm bảo lưu lượng EF được đưa đến những bộ nhớ đệm nhỏ vì rung pha và trễ gây nên bởi thời gian mà gói sử dụng trong bộ nhớ đệm và hàng đợi. Khi xảy ra hiện tượng quá tải, nút biên miền DS không cho phép lưu lượng dạng này đi vào trong miền vì nó là nguyên nhân gây tắc nghẽn tại các bộ định tuyến trong miền DS. Vấn đề này được điều chỉnh bởi thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Argreement) và xác định lưu lượng truyền có điều kiện. Hình 4. Xử lý chuyển tiếp nhanh EF PHB Chuyển thiếp nhanh EF PHB khả thi nếu băng thông đầu ra và kích thước bộ nhớ đệm đủ để các luồng lưu lượng ra với tốc độ phục vụ μ. Tốc độ phục vụ μ luôn lớn hơn tốc độ đầu vào λ tại các bộ đệm EF. Nhóm chuyển tiếp đảm bảo AF PHB Chuyển tiếp đảm bảo với đặc điểm phân phối dữ liệu đảm bảo với khả năng mất gói thấp là điều kiện tốt nhất khi sử dụng các giao thức không thực hiện xử lý sửa lỗi hoặc không có giải pháp truyền lại gói. AF PHB bao gồm 4 lớp chuyển tiếp và mỗi lớp chuyển tiếp có 3 mức ưu tiên loại bỏ gói tin, mỗi lớp được gán một băng thông và khoảng nhớ đệm xác định. Nếu một gói phải bị loại bỏ, bộ định tuyến có cách nhận biết gói nào bị loại bỏ đầu tiên. Ngoài ra, mỗi lớp chuyển tiếp được phân bổ một số lượng cực nhỏ băng thông và bộ nhớ đệm. Nếu bộ nhớ đệm đầy, thì quá trình loại bỏ gói sẽ bắt đầu theo trật tự loại bỏ theo mức ưu tiên. Các phân loại AF được thể hiện trên hình 5: Hình 5. Các phân lớp AF PHB Thực hiện đánh dấu gói: Mỗi gói IP mang một byte gọi là octet ToS (Type of Service). Byte này chiếm một vài phần trăm của lưu lượng hiện nay, và được thiết lập bằng 0. Trong IPv6, có một byte tương đương gọi là byte loại lưu lượng. Nhiệm vụ đầu tiên của nhóm làm việc DiffServ là xác định lại byte này, định nghĩa giống nhau cho IPv4 và IPv6. Trường 6 bit này được biết như là trường dịch vụ phân biệt (trường DS) và được đánh dấu với một mẫu bit đặc biệt gọi là DSCP dùng để chỉ ra cách thức mỗi bộ định tuyến cần xử lý gói. Các gói DiffServ phải có một giá trị phù hợp trong trường DSCP. Để nhấn mạnh việc không có thông tin về phiên cần cất giữ, việc xử lý này Nguyễn Thị Phương Nhung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 74 - 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 77 được biết như là một PHB. ToS định nghĩa như trong hình 6: DSCP: Differentiated Services CodePoint CU: currently unused Hình 6. Cấu trúc của byte TOS Trường DS 6 bit có thể bao gồm tới 64 giá trị khác nhau. Nói chung, 64 PHBs khác nhau là cần thiết, nên một số codepoint dùng để dự trữ. Sử dụng đánh dấu: Các PHB được xác định theo các giới hạn về tài nguyên của chúng (bộ đệm, băng thông) có quan hệ ưu tiên với các PHB khác, hay trong các giới hạn về đặc điểm lưu lượng tường minh (trễ, tổn thất). Các PHB này có thể được dùng như là các khối làm sẵn để cấp phát các tài nguyên và nên được định rõ như một nhóm PHB chắc chắn. Các nhóm PHB thường chia sẻ áp dụng ràng buộc chung cho mỗi PHB trong phạm vi nhóm, như chính sách lập lịch gói hay quản lý bộ đệm. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG QUA MÔ PHỎNG MÔ HÌNH DIFFSERV Về chương trình mô phỏng NS2 NS (Network Simulator) là hệ thống mô phỏng mạng, đặc biệt là các giao thức điều khiển hoạt động của mạng,. Chi tiết về chương trình mô phỏng NS, xin tham khảo tại [4], [9]. Định nghĩa các chính sách Một bảng chính sách định nghĩa cho mỗi loại chính sách điểm mã khởi đầu cũng như là một hay hai điểm mã giảm mức. Điểm mã khởi đầu thường được gọi là “green code” và điểm mã giảm mức thấp nhất là “red”. Nếu có một điểm mã khác ở giữa thì nó là “yellow”. Kịch bản mô phỏng Mục đích của việc mô phỏng dùng mô hình DiffServ để chỉ ra rằng có thể đánh dấu ưu tiên các gói tin nhạy cảm mà không cần bất kỳ thông tin nào của lớp vận chuyển, do đó sẽ đơn giản hóa việc thực hiện đánh dấu ưu tiên các gói. Yêu cầu bài toán Mở đầu cho phân loại dịch vụ: Hai mức ưu tiên được định nghĩa. Mức cao hơn “gói tin vào” hay “green packets” và mức thấp hơn “gói tin ra” hay “red packets”. Chúng ta tập chung vào chính sách đơn giản nhất có sẵn trong NS: cửa sổ thời gian trượt (chính sách: srTCM, trTCM...). Một tốc độ cho phép CIR được định nghĩa cho mỗi router biên. Trong phần mô phỏng thì khoảng thời gian mô phỏng là 120s. Mô hình khảo sát: Mạng LAN khảo sát tô-pô và cấu hình: Hình 7. Mô hình khảo sát Trong mô hình trên, S0..S2 là các nút mạng. E1, E2 là Egde có thể xem là các switch, giữa E2 và E2 là Core. CBR là nguồn sinh lưu lượng. Null là đích của nguồn CBR. Kịch bản Các thông số và kịch bản của thí nghiệm: Chính sách sử dụng là srTCM S1 -> D1 S2 ->D2 S3 ->D3 srTCM srTCM srTCM CIR 900 900 900 CBS 10000 5000 20000 EBS 20000 15000 30000 PBS 10000 10000 10000 Kết quả mô phỏng: Với mục đích của thí nghiệm là xác định và vẽ đồ thị sự thay đổi theo thời gian mô phỏng của hệ số sử dụng đường truyền của kết nối UDP. Kết quả thu được như sau: S0 E1 S2 E2 D1 D2 D3 UDP CBR UDP CBR Null Null Core S1 Null UDP CBR Nguyễn Thị Phương Nhung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 74 - 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 78 Results S1 - >D1 S2 -> D2 S3 -> D3 E1 -> E2 Sent 23185 24201 28350 75742 Receive 23185 17661 9975 50821 Drop 0 6546 18375 24921 Các luồng có cùng chính sách srTCM (Single rate Three Color Marker – bộ đánh dấu 3 màu tốc độ đơn) nhưng thay đổi tốc độ của mỗi luồng ta nhận thấy: S1 ->D1 tỷ thành công các gói tin gửi đi là 100%, ngược lại, S2 -> D2 với tốc độ lớn hơn (450) nên tỷ lệ thành công đạt được  73% và S3 -> D3 tăng tốc độ lên 700 thì tỷ lệ thành công của gói tin gửi đi chỉ đạt  35%. Hình 8. Đồ thị mô tả mất gói trong khoảng thời gian 120s Từ sơ đồ của hình vẽ ta nhận thấy, trong khoảng thời gian 120s các gói tin đi từ S1 -> D1 không bị mất mát trong quá trình truyền đi. Tỷ lệ mất gói tin lớn nhất nằm trên luồng E1 -> E2 và tỷ lệ mất gói tăng theo thời gian mô phỏng. Kết quả tính độ trễ và biến thiên trễ: Flow S1 ->D1 S2 ->D2 S3 ->D3 E1 ->E2 Delay 0.05579 0.19466 0.426573 0.16641 Luồng S1 -> D1 với lớp lưu lượng EF có độ trễ và biến thiên trễ nhỏ nhất trong khoảng thời gian 120s với độ trễ là 0.05579, biến thiên trễ 0.001621. Luồng S3 -> D3 với lớp lưu lượng BE có tỷ lệ mất gói lớn nên độ trễ và biến thiên trễ cao hơn hẳn so với luồng S1 -> D1, đường đồ thị màu xanh (blue) thể hiện rõ nét độ trễ hàng đợi của lớp lưu lượng BE. Mất gói: kiểm tra ảnh hưởng của tốc độ đánh dấu CIR đến xác suất mất gói tin và của gói tin dữ liệu đầu tiên trong kết nối, ta thấy rằng cần giảm việc mất gói tin cho cả hai để đạt được tốc độ CIR như mong muốn. Những gói tin dễ bị tấn công làm giảm hiệu suất đáng kể vì chúng gây ra thời gian gián đoạn dài. Trong mạng tốc độ cao thời gian truyền file rất ngắn (tổng thời gian truyền ngắn hơn nhiều thời gian time-out), vì thế ta mang muốn đạt hiệu suất cao hơn bằng cách loại trừ thời gian time-out này. Trong mạng tốc độ thấp thì việc loại trừ thời gian time-out là không cần thiết. Thông lượng: các luồng lưu lượng CBR0, CBR1, CBR2 đều truyền dữ liệu trong những khoảng thời gian như nhau nhưng thông lượng trung bình khác nhau. Với đường truyền phù hợp thì hiệu suất về thông lượng và độ trễ của UDP đạt được sẽ cao. KẾT LUẬN Với sự phát triển bùng nổ của Internet và xu thế trở thành cơ sở hạ tầng thống nhất về thông tin máy tính nói riêng và thông tin liên lạc nói chung, yêu cầu tích hợp các dịch vụ số liệu, tiếng nói và hình ảnh trên Internet càng trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Hiện nay, nhóm làm việc DiffServ của IETF đã đưa ra các khuyến nghị liên quan đến việc triển khai DiffsServ trên mạng IP, đồng thời DiffServ cũng đã được triển khai thực tế với mạng khoa học và giáo dục quốc gia của Hy Lạp (GRNET). Với những ưu điểm vượt trội của DiffServ và xu hướng phát triển của mạng viễn thông, DiffServ đang trở thành kiến trúc QoS phổ biến hiện nay cũng như trong tương lai. HƯỚNG PHÁT TRIỂN Phát triển và xây dựng mô hình đảm bảo chất lượng theo hướng tích hợp các mô hình ứng dụng vào hệ thống mạng thực tế nhằm tận dụng những ưu điểm mà các mô hình mang lại. Nghiên cứu mô hình CQS - một mô hình khá mới trong mạng Internet. Mô hình CQS giúp làm tăng khả năng xử lý cho router trong vấn Nguyễn Thị Phương Nhung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 74 - 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 79 đề định tuyến các dịch vụ tích hợp. Nghiên cứu công nghệ Multimedia trên mạng IP. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Thị Phương Nhung, “Giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP, đánh giá, so sánh mô hình IntServ và DiffServ ”, Luận văn Thạc sỹ Công nghệ thông tin, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 12/2009. [2]. Trần Tuấn Hưng, “Phát triển và triển khai các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền mạng IP”. [3]. Vũ Duy Lợi, Nguyễn Văn Vỵ, “Về đảm bảo chất lượng dịch vụ trên Internet”. [4]. Eitan Altman & Tania Jimenez, "Ns simulator for beginners", 2003-2004. [5] I. Gojmerac, F. Hammer, F. Ricciato, H. T. Tran, T. Ziegler, (authors in alphabetical order), "Scalable QoS: state-of-the-art architectural solutions and developments", Technical report, FTW-TR-2004-003 [6]. S. Blake, D. Black, M. Carlson, E,Davies, Z. Wang, W. Weiss: “An Architecture for differentiated service”, RFC 2475, December 1998 7]. R. Braden, D. Clark and S. Shenker, "Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview", RFC1633, June 1994. [8]. The IETF Differentiated Services Working Grouphomepage, charter.html. [9] SUMMARY PERFORMANCE EVALUATION THE GUARANTEED QUALITY OF SERVICE ON IP NETWORKS OF DIFFSERV MODEL Nguyen Thi Phuong Nhung1, Le Dinh Thanh2, Ho Si Dam2 1Thai Nguyen University of Technology 2University of Technology - Hanoi National University We present an overview about the model of differentiated services on the Internet according to the IETF recommendation. In the first section, we analyze the requirements of guaranteed Quality of Services of applications in general and of real-time applications in particular Presented an overview about assurance quality of services on the IP network. Learning the model of differentiated services DS. Nowadays, Performance Evaluation is one of the most important fields of information technology. Evaluation of test results model of differentiated services for guaranteed Quality of Services through using the network simulation system NS. Nguyễn Thị Phương Nhung và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 74 - 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 80