BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
NGUYỄN VĂN TIẾN NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT QUẢN LÝ
BĂNG THÔNG TRÊN MẠNG IP

NGÀNH : TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH
MÃ SỐ : 60.48.15
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. LÊ VĂN PHÙNG

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2010 1Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.2.1 Phân lớp lưu lượng ở mức lớp mạng
Việc phân lớp lưu lượng được thực hiện tại cả lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) và lớp 3
(lớp mạng) trong mô hình OSI.
Để sắp xếp các luồng dữ liệu IP thành các lớp khác nhau nhằm phục vụ cho các
chính sách QoS khác nhau, chúng ta sử dụng 3 bit đầu tiên trong trường loại dịch vụ
(Service Type - ToS) trong phần mào đầu của gói dữ liệu IP. 3 bit này được gọi là trường IP
Precedence và có giá trị mặc định là 0. Trường IP Precedence bằng 0 có nghĩa là gói tin này
sẽ được truyền theo kiểu không có am kết QoS (Best Effort). 7 bit còn lại của trường IP
Precedence dùng để phân chia lưu lượng IP thành 7 lớp dịch vụ có thứ tư ưu tiên tăng dần,
cấu trúc trường IP Precedence được trình bày trong hình 1.3.

Hình 1.3: Phân lớp lưu lượng theo IP Precedence
1.2.2 Phân lớp lưu lượng ở mức lớp liên kết dữ liệu
Trong phần mào đầu của khung dữ liệu ở lớp liên kết dữ liệu không có trường nào
phục vụ cho việc phân lớp lưu lượng. Tuy nhiên ta có thể phân lưu lượng dựa vào việc chèn
thêm các thẻ định danh VLAN gọi là tag theo giao thức 802.1Q/p. Mỗi tag gồm 4 byte trong
đó trường CoS gồm 3 bit (cấu trúc chi tiết của tag được trình bày trong hình 1.4) được dùng

23
trước, tỷ lệ huỷ gói tin thấp ngay cả đối với các lớp cao hơn và đã được kiểm soát độ trễ và
biến thiên độ trễ gói.

Hình 4.6: Tỷ lệ mất gói
Kết quả này
cho thấy giải thuật
thích nghi đã hoạt
động tốt với việc
thay đổi các điều
kiện lưu lượng mà
vẫn có thể đạt

h
. Nếu Q lớn hơn T
l
và nhỏ hơn T
h
, nó
đánh dấu gói tin trong hàng đợi
1.3 Các giải pháp QoS
1.3.1 Cấu trúc tích hợp dịch vụ IntServ
Một mạng IntServ điển hình chứa các bộ định tuyến biên và các bộ định tuyến lõi
(xem hình vẽ 1.5). Trước khi bắt đầu truyền dữ liệu của một luồng IP vi mô, đầu gửi thông
báo một số số liệu liên quan đến lưu lượng sẽ được chuyển (như tốc độ gửi lưu lượng trung
bình của đầu gửi, độ lớn cho phép của những cụm bùng phát lưu lượng) cho bộ định tuyến
biên.

4

Hình 1.5: Cấu trúc QoS tích hợp dịch vụ
Giao thức báo hiệu RSVP sẽ đưa ra quyết định luồng IP từ nút H1 đến nút H2 có
thể được mạng IntServ phục vụ hay không. Trước hết, RSVP xác định và xây dựng đường
truyền cho luồng IP bằng tin PATH. Đường truyền này đi qua các bộ định tuyến R1, R2, R3.
Tiếp đó dung lượng sẽ được chiếm giữ cho đường truyền theo chiều từ nút nhận ngược trở
lại nút gửi. Sự chiếm giữ được thực hiện bằng tin RESV của giao thức RSVP.
1.3.2 Cấu trúc DiffServ
Nguyên lý hoạt động của cấu trúc DiffServ bao gồm những điểm cơ bản sau. Khi
bắt đầu đi vào mạng DiffServ mà trực tiếp là tại bộ định tuyến biên, gói IP sẽ được phân
loại. Bộ định tuyến biên thực hiện việc phân loại bằng cách kiểm tra mã DSCP (hoặc IP
Precedence) chứa chủng loại dịch vụ nằm trong phần đầu gói cùng với một số dữ liệu khác
liên quan đến luồng vi mô của gói IP (như địa chỉ đầu gửi, địa chỉ đầu nhận).
Có hai phương pháp chính có thể tuân theo khi triển khai thuật toán điều khiển lưu

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 (xem hình 2.1).

Hình 2.1: Mô hình quản lý băng thông tĩnh
2.2 Điều khiển lưu lượng vào
2.2.1 Giải thuật thùng đựng thẻ
Thùng đựng thẻ là một cơ chế điều khiển lưu lượng vào dựa trên sự xuất hiện của
các thẻ trong thùng, xem hình 2.3.
Giải thuật thùng thẻ được trình bày như sau, xem hình 2.4:
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.

Hình 2.3: Kỹ thuật thùng đựng thẻ
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:

19

18





n
i
R
i
1


Trong đó µ, là dung lượng kết nối tính theo bit/giây (bits/second) và R
i
là tỷ lệ lưu
lượng của luồng thứ i.
2.2.3 Các thành phần điều khiển lưu lượng vào
Các giải thuật điều khiển lưu lượng vào có 4 thành phần then chốt sau đây:
Profile lưu lượng
Đo lường lưu lượng
Điều kiện chấp nhận
Quyết định chấp nhận
2.2.4 Phân lớp các giải thuật điều khiển lưu lượng vào.

Hình 2.5: Phân lớp giải thuật điều khiển lưu lượng

8
Điều khiển theo cuộc gọi
Điều khiển lưu lượng vào theo chính sách
Điều khiển luồng lưu lượng vào
Một cách tiếp cận khác đối với điều khiển lưu lượng vào trong mạng IP là cài đặt
trên cổng vào/ra của bộ định tuyến. Một trong những cài đặt thương mại phổ biến nhất của

là App Def) và Profile Definition Definition (viết tắt là Profile Def) .
Thư viện định nghĩa các kỹ thuật QoS là IP QoS Definition (viết tắt là IP QoS).
Đây là nơi ta có thể định nghĩa các kỹ thuật QoS như CAR, WFQ… đáp ứng các yêu cầu
cho các nội dung mô phỏng.
Các thiết bị mạng gồm các máy tính trạm, máy tính chủ để triển khai các dịch vụ
mạng và đặc biệt là hai bộ định tuyến Router_1 và Router_2 kết nối hai phần mạng LAN của
hệ thống lại với nhau.
4.4.3 Cài đặt các giải thuật quản lý băng thông động
Trong Opnet Modeler, mỗi bộ định tuyến được thiết kế gồm nhiều node theo kiểu
chồng giao thức. Hình 4.3 trình bày mô hình phân cấp các tiến trình của bộ định tuyến
Router_1, tại bộ định tuyến này chúng ta cần cài đặt các giải thuật điều khiển lưu lượng
nhằm đáp ứng các yêu cầu QoS.

16
- OPNET Modeler sử dụng phương pháp mô hình hoá hướng đối tượng và các bộ
soạn thảo đồ hoạ để mô phỏng cấu trúc các hệ thống mạng thực tế và các thành phần mạng,
do đó chúng ta có thể ánh xạ một cách trực quan hệ thống thực tế.
- OPNET Modeler hỗ trợ hầu hết công nghệ và cấu trúc mạng, nó cho phép chúng
ta trả lời một cách tự tin hầu hết các câu hỏi phức tạp trong thực tế.
4.3 Các đặc trưng của Opnet Modeler
Là bộ phần mềm mô phỏng hiệu quả và linh hoạt nhất trong lĩnh vực công nghiệp,
OPNET Modeler có các đặc trưng sau:
- Nền tảng mô hình hoá chuyên nghiệp, với khả năng mô phỏng đầy đủ các sự kiện
rời rạc song song và tuần tự, mô phỏng giải tích và lai ghép, có khả năng hoạt động 64 bit.
- Môi trường đồ hoạ trực quan nên có thể mô phỏng rõ ràng các hệ thống mạng
thực tế, các thiết bị, giao thức và ứng dụng.
- Có khả năng mô phỏng tất cả các mô hình kiến trúc mạng.
- Có thể tiếp nhận tự động thông tin kiến trúc mạng từ các công cụ, phần mềm
khác.
- Có thể truy cập vào chương trình nguồn các thư viện mô hình hoá giao thức phổ

 Hàng đợi trọng số công bằng (WFQ)
2.4 Đánh giá hạn chế
2.4.1 Hạn chế của các kỹ thuật điều khiển lưu lượng vào
Một trong những thách thức lớn nhất của điều khiển lưu lượng vào trên mạng IP là
việc chia sẽ tài nguyên mạng một cách hiệu quả giữa các luồng dữ liệu nhạy cảm với độ trễ được
chấp nhận vào mạng.
Điều khiển lưu lượng vào theo tham số truyền thống chủ yếu dựa trên các mô hình
thống kê đặc tả luồng. Các tham số thường được sử dụng bởi các luồng để ước lượng tài
nguyên cần thiết. Thiết bị mạng sử dụng các ước lượng để chấp nhận hay từ chối các luồng
phụ thuộc vào sự sẳn sàng của các tài nguyên được yêu cầu. Nhưng vấn đề với phương pháp
này là các ứng dụng thường rất khó mô tả chính xác các mẫu lưu lượng để áp dụng. Trong
mạng IP hầu hết lưu lượng thường rất đa dạng. Vì vậy, để mà nhận được các tài nguyên cam
kết, các luồng cung cấp các ước lượng tham số ưu tiên thể hiện phản ứng trong trường hợp
xấu nhất. Điều này có thể gây ra quá tải đăng ký trước tài nguyên mạng.
Các giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo tham số có thể được phân tích theo
các phương pháp cụ thể. Các giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo đo lường có thể được
phân tích theo kinh nghiệm trên các mạng thực tế hoặc các hệ thống mô phỏng. Mục đích
của chúng ta ở đây không phải là chọn ra phương pháp tốt nhất mà chỉ là đưa ra các đánh
giá, không chỉ dựa trên điều kiện đánh giá được sử dụng trong việc so sánh các giải thuật
điều khiển lưu lượng vào theo đo lường khác nhau mà còn dựa trên các định nghĩa so sánh ý
nghĩa của các giải thuật điều khiển lưu lượng vào theo đo lường. Phương pháp đơn giản nhất
đảm bảo tuân theo các cam kết đầy đủ là cấp phát đủ tài nguyên để đáp ứng các yêu cầu
phòng trường hợp xấu nhất của mỗi luồng. Tuy nhiên, với các nguồn tăng đột biến, mô hình
này sẽ dẩn đến hiệu quả sử dụng mạng thấp.

10
2.4.2 Hạn chế của các kỹ thuật phân phối lưu lượng ra
FIFO không thể giải quyết cùng lúc cả ba vấn đề cấp phát băng thông, độ ưu tiên
và không gian bộ đệm. Tuy nhiên, cho dù các giải thuật điều khiển lưu lượng được sử dụng
bởi các nguồn lưu lượng được xử lý hiệu quả đến đâu, thì các mạng với các cổng FIFO đều

của một lớp lưu lượng. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán kích thước hàng đợi trung
bình và ngưỡng trên của hàng đợi. Kích thước hàng đợi trung bình được tính toán như trong
giao thức RED. Việc tính toán trung bình di chuyển trọng số hàm mũ đã tăng cường làm trơn
các thay đổi kích thước hàng đợi, do đó nó sẽ ngăn chặn các giao động hệ thống tức thời.
Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
4.1 Giới thiệu
Như chúng ta đã biết, ba phương pháp chính để đánh giá hoạt động của một hệ
thống là phân tích lý thuyết, đo lường và mô phỏng. Với một hệ thống phức tạp, rất nhiều
tham số như hệ thống chúng ta đang xét, phương pháp phân tích lý thuyết là rất phức tạp và
phải đưa ra rất nhiều giả định để đơn giản hệ thống và kết quả có thể không chính xác. Để sử
dụng phương pháp đo lường, hệ thống chúng ta cần phải được triển khai trên các bộ định
tuyến biên và các thiết bị đầu cuối. Điều này đòi hỏi một phòng Lab với đầy đủ thiết bị, điều
này rất khó thực hiện trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.
4.2 Bộ phần mềm mô phỏng OPNET MODELER
Các ưu điểm sau:
- OPNET Modeler là môi trường công nghiệp cho việc mô hình hoá và mô phỏng
các hệ thống mạng, cho phép thiết kế, nghiên cứu các hệ thống mạng viễn thông, các ứng
dụng, giao thức, thiết bị.
- OPNET Modeler được sử dụng bởi hầu hết các tổ chức công nghệ uy tín hàng
đầu trên thế giới trong việc hỗ trợ công tác nghiên cứu, phát triển.
Giải thuật 3: Tính kích thước hàng đợi trung bình

if l
i
<> 0 then
i
l
ˆ
= (1 - W
q

ˆ
nhằm xác định xem tốc độ
thay đổi của nó trong việc đáp ứng kích thước hàng đợi thực sự (xem giải thuật 3). Để tính toán các khoảng thời gian mà hàng đợi ở trạng thái rỗng, giải thuật sẽ ước
lượng số gói tin có thể được truyền bởi bộ định tuyến trong khoảng thời gian nghĩ và sử
dụng nó trong việc tính toán
i
l
ˆ
khi một gói tin mới đến.
Tham số W
q
tự nó xác định hằng thời gian của một bộ lọc thông thấp. Nếu W
q
quá
lớn thì thủ tục trung bình sẽ không lọc được nghẽn tức thời. Chúng ta có thể gán giá trị trọng
số lớn hơn cho kích thước hàng đợi tức thì bằng cách gán giá trị lớn cho W
q
. Giá trị được
khuyến nghị của W
q
là 0.002.
Giải thuật 2: Hàng đợi theo lớp thích nghi (ACBQ)

Begin
Ω = 0
foreach gói tin đến
foreach lớp lưu lượng

end
endif
end11

Chương 3 QUẢN LÝ BĂNG THÔNG ĐỘNG

3.1 Giới thiệu chung
3.1.1 Yêu cầu phát triển mô hình quản lý băng thông động
Qua các đánh giá này chúng ta nhận thấy các kỹ thuật quản lý băng thông tĩnh luôn
tồn tại các hạn chế như sau:
- Cấp phát tài nguyên hệ thống một cách cứng nhắc cho các lớp lưu lượng hay các
ứng dụng, mặc dù trong thực tế, yêu cầu băng thông của các ứng dụng có thể thay đổi theo
thời gian. Điều đó dẫn đến việc thừa tài nguyên tại các thời điểm lưu lượng thấp và thiếu hụt
tài nguyên tai các thời điểm lưu lượng cao.
- Việc cấp phát tài nguyên cứng nhắc cũng dẫn đến sự lảng phí tài nguyên mạng
lưới, tài nguyên quan trọng của mạng lưới (tài nguyên mà chúng ta đăng xét ở đây là băng
thông của hệ thống) không được khai thác tối ưu.
- Sự bùng nổ các ứng dụng mới trên nền mạng TCP/IP làm cho việc khai báo mô
tả lưu lượng trở nên rất phức tạp, điều này trở nên đặc biệt khó khăn trong môi trường mạng
internet.
Để khắc phục các hạn chế này, mô hình quản lý băng thông mà đề tài đề xuất gọi
là mô hình quản lý băng thông động hay còn gọi là mô hình quản lý băng thông thích nghi.
3.1.2 Giới thiệu mô hình quản lý băng thông động
Mô hình quản lý băng thông động mà đề tài đề xuất hoạt động theo nguyên lý của hệ
thống phản hồi mạch đóng (xem hình 3.1).

AC

lượng của kết nối LAN, do vậy chúng ta cần phải tính toán việc cấp phát tài nguyên cho hợp
lý.
Hệ thống quản lý băng thông động mà chúng ta xây có kiến trúc như hình 3.3.
Trong đó:
 r
0
, r
1
, r
2
, r
3
lần lược là tốc độ đưa thẻ vào các thùng thẻ 0, 1, 2, 3.
 B
0
, B
1
, B
2
, B
3
: lần lược là dung lượng các thùng thẻ 0, 1, 2, 3.
W
0
, W
1
, W
2
, W
3

1
(1)
Tốc độ phân phối thẻ chuẩn hoá (normalized token distribution rate) được định
nghĩa:
,
1
)(/)(



m
j
t
j
s
i
st
i
p

m
i


1
(2)
p
i
(t) xác định tốc độ rút cạn thẻ trong thùng, nhằm bảo vệ, hạn chế giao động
chúng ta sử dụng một hàm trung bình trọng số để làm trơn tốc độ cạn thùng thẻ.

pt
i
r

(4)

13
3.2.2.2 Phân phối lưu lượng ra
Gọi T
li
và T
hi
là các ngưỡng dưới và trên của hàng i, trong đó 1<=i<=n. Bây giờ
chúng ta gọi l
i
(t) là độ dài hàng đợi tức thì tại thời điểm t, và
)(
ˆ
tl
i
là hàm mũ trung bình của
l
i
(t), lúc đó tốc độ cạn dịch vụ tuyệt đối (absolute service starvation rate) của hàng đợi i được
định nghĩa:
hi
Ttlt
i
q
i

Giải thuật 1, tham số α là trọng số của giá trị trước đó. Trong giải thuật này α =
0.9 có nghĩa với 90% giá trị trước đó được xem xét và 10% các yêu cầu tính toán mới được
sử dụng để cho ra giá trị tốc độ thẻ cuối cùng.

3.3.2 Giải thuật xử lý hàng đợi thích nghi
Trong giải thuật 2, một trong các bước quan trọng là tính toán độ dài hàng đợi
trung bình,
i
l
ˆ
. Thay vì sử dụng kích thước hàng đợi tức thì, kích thước độ dài hàng đợi
trung bình được sử dụng để lọc nghẽn tức thời, tránh ảnh hưởng của lưu lượng đột biến.