ĐỒ ÁN HỆ THỐNG MẠNG
Đề tài:
NGUYÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
CHƯƠNG TRÌNH LẬP LỊCH TRONG
MẠNG IP
CHƯƠNG 2
KIẾN TRÚC CQS
2. 1 Tổng quan về kiến trúc CQS
Mục đích của QoS là cung cấp các dịch vụ giao nhận thông tin tin cậy cho
những lớp hay loại lưu lượng nào đó mà không quan tâm tới các loại lưu lượng
khác đang cùng ở trong mạng. Tuyến đường mà gói phải đi qua để đến đích là một
chuỗi các tuyến link và nút mạng (router hoặc switch). Do đó vấn đề trước tiên
phải quan tâm là quá trình lưu và chuyển gói tại các nút mạng diễn ra như thế nào.
Với một route truyền thống điều quan tâm nhất của nó là cần gửi gói đi đâu.
Quyết định chuyển gói dựa trên địa chỉ đích của mỗi gói và thông tin trong bảng
định tuyến của router. Nhưng những router cần cho mạng có đảm bảo chất lượng
dịch vụ thì phải điều khiển thời điểm gửi gói tức là quan tâm khi nào cần gửi gói.
Sau đây ta xem xét sâu hơn những thành phần của router ảnh hưởng tới thời điểm
chuyển gói. Mỗi router là một điểm hội tụ hay phân kì của một gói. Trong phần lớn
các mạng, lưu lượng đến theo từng đợt thay đổi thất thường. Rất hay xảy ra trường
hợp nhiều đợt gói đến từ các tuyến vào khác nhau đến cùng một tuyến ra (mà bản
thân tuyến ra chỉ có dung lượng hữu hạn) làm cho router nhận được số gói vượt
quá khả năng phân phát tức thời của nó. Ví dụ lưu lượng hội tụ từ nhiều tuyến
Ethernet 100Mbps dễ dàng vượt quá dung lượng 155Mbps/STM-1 của tuyến ra.
Để đối phó với trường hợp này, tất cả các router đều có các bộ đệm bên trong(các
hàng đợi-queues) để lưu trữ những gói thừa khi chúng có thể được chuyển . Khi đó
các gói này sẽ chịu thêm độ trễ, hay có thể nói router chịu mọt sự ứ nghẽn tức thời
. Trễ của gói từ nguồn tới đích bao gồm nhiều thành phần nhưng phần trễ do bộ
đệm kể trên rất thất thường, nó thay đổi ngay cả giữa các gói tới đích.
Ngoài ra khi hết dung lượng bộ đệm thì gói đến phải bị huỷ và tỉ lệ mất gói
cũng là một yếu tố không thể kiểm soát được. Với các hàng đợi vào trước- ra trước

vẫn phải chia sẻ cùng một dung lượng tuyến ra (output link) hữu hạn, cần một cơ
chế đặt ra lịch phục vụ (Scheduling) từng hàng đợi (để chuyển gói từ các hàng đợi
ra outputlink). Các router như vậy gọi là kiến trúc CQS.

Hình 2. 2 Classify, Queue, Schedule trong router
Ví dụ thực tế của việc xử lý CQS rất hiệu quả trong ngành công nghiệp hàng
không. Các khu vực đăng kí đi máy bay sử dụng dạng kiến trúc CQS để cung cấp
các mức dịch vụ cho các lớp khách hàng khác nhau. Thời điểm tắc nghẽn được
miêu tả bằng việc tập hợp các tác nhân có thể xử lý cho các hành khách một cách
nhanh nhất có thể ở một tốc độ vừa phải không đổi(không xét đến thời gian xử lý
cho những hành khách khó tính). Tốc độ kết nối của thời điểm tắc nghẽn được tính
bằng tổng các tốc độ xử lý của các tác nhân đối với các hành khách đăng kí đi máy
bay. (Hãng hàng không có thể thêm hoặc chuyển các tác nhân để làm thay đổi tốc
độ này). Các hành khách đến đăng kí đi máy bay là một quá trình bùng nổ, nó có
Cổng ra
M
Hàng đợi
. .
. .
C
ổng

1

C
ổng

N

Hàng đợi

ảnh hưởng của các hàng đợi khác. Để đạt được hiệu suất sử dụng cho các tác nhân,
khi một hàng đợi có độ ưu tiên cao rỗng, các tác nhân thường kết hợp xử lý cho các
hành khách ở các hàng đợi có độ ưu tiên thấp. Bằng cách phân phối thích hợp các
tác nhân đăng kí đi máy bay, các hành khách có phí bảo hiểm được qua nhanh hơn
(các line ngắn và vì thế biến động trễ thấp) và có thể dự đoán (jitter thấp) dịch vụ
đăng kí đi máy bay sẽ thấp hơn trong các lớp đó.
Kiến trúc CQS bao gồm ba phần chính là :
 Phân loại
 Quản lý hàng đợi
 Lập lịch
Tuy nhiên đồ án này chỉ nghiên cứu về phần lập lịch . Nội dung của phần lập
lịch sẽ được xét trong chương 3.
2. 2. Các chức năng của kiến trúc CQS
2. 2. 1 Định hình lưu lượng
Với kiến trúc CQS cho phép chia tách, không cho các loại lưu lượng ảnh
hưởng sang nhau. Qua đó cũng thực hiện được sự ưu tiên với các loại lưu lượng
cần chất lượng dịch vụ cao. Tuy nhiên cần đặt ra những giới hạn để các loại lưu
lượng không được ưu tiên vẫn có được chất lượng dịch vụ tối thiểu cũng như đảm
bảo băng thông cho những loại được ưu tiên khi tải trong mạng lớn.
Đặt ra các giới hạn băng thông cho một lớp lưu lượng được gọi là định hình
lưu lượng (traffic shaping). Đây là một chức năng trong kiến trúc CQS . Nó kết
hợp với chức năng lập lịch (scheduling) để qui định mức tần xuất phục vụ với từng
hàng đợi hoặc khoảng thời gian giữa hai lần lấy gói ra ở cùng một hàng đợi. Định
hình lưu lượng cung cấp một cơ chế điều khiển lưu lượng tại một giao diện cụ thể.
Nó giới hạn lưu lượng thông tin đi ra khỏi giao diện để tránh làm mạng bị tắc
nghẽn bằng các ràng buộc tốc độ thông tin đi ra ở một tốc độ bit cụ thể đối với
từng loại lưu lượng tránh trường hợp tốc độ bit tăng đột ngột.

Hình 2. 3 Cơ chế traffic shaping trong router
Ta có thể hình dung cơ chế định hình lưu lượng như khi chúng ta dùng phễu

thuộc tính của gói bị huỷ, đặc điểm của loại lưu lượng .
2. 2. 3 Phân mảnh hàng đợi
Đôi khi bộ lập lịch của một router thực hiện chèn lưu lượng một cách đơn
giản tại mức gói tin IP. Bộ lập lịch có khả năng chèn lưu lượng của mỗi gói có thể
được kết nối từ bên ngoài một cách nhanh chóng vào các hàng đợi khác nhau. Với
các kết nối tốc độ cao(như các kênh SONET hoặc SDH tốc độ 155Mb/s) một gói
tin IP 1500 byte có thể truyền dẫn trong khoảng nhỏ hơn 80ms. Điều này cho phép
bộ lập lịch chia băng thông của liên kết thành các khe có độ dài 80ms-một con số
rất hợp lý, và nó có thể tách 20ms cho các kênh có tốc độ 622Mb/s(OC-12 hoặc
STM-4). Dù sao, tại mức biên của mạng Internet cũng có nhiều kết nối được vận
hành với tốc độ 1Mb/s hoặc chậm hơn. Gói tin IP 1500 byte chiếm 94ms để truyền
dẫn với tốc độ kết nối là 128Kb/s, và việc đóng khối kết nối được hoàn thành trong
thời gian này. Bất chấp mọi sự ảnh hưởng của biến động trễ, lưu lượng được phân
loại vào các hàng đợi khác nhau, các gói đó sẽ chịu jitter là 94ms khi bộ lập lịch
giữ các gói 1500 byte từ một hàng đợi khác. Rõ ràng điều này đặt ra một số vấn đề
nếu các ứng dụng bị ảnh hưởng bởi QoS được cung cấp bởi khía cạnh xa hơn của
các kết nối truy nhập tốc độ thấp. Cách giải quyết cơ bản là tiến hành thêm các
đoạn của các gói IP tại các mức kết nối trong một lớp IP riêng biệt. Kiến trúc CQS
được ứng dụng tại các mức kết nối bằng các mảnh hàng đợi chứa các gói lớn hơn,
vì thể cho phép bộ lập lịch có thể chèn vào tại các đường ranh giới của đoạn. Điều
này được mô tả như hình vẽ:

Hình 2. 5 Phân đoạn trước bộ lập lịch
2. 3. Đánh dấu và sắp xếp lại
Mặc dù định hình có thể là một giải pháp tinh vi để làm giảm sự bùng nổ lưu
lượng nhưng các chính sách đơn giản lại là một công cụ không nhạy bén. Một số
giá trị thay đổi được đưa ra có thể làm giảm hiệu quả của chính sách định tuyến ở
router biên. Chính sách tại mỗi node có thể được lựa chọn chỉ để đánh dấu các gói
(đúng hơn là loại bỏ chúng ngay lập tức) nếu chúng vượt quá ngưỡng tràn. Các
router tiếp theo sẽ thừa nhận rằng các gói đã bị đánh dấu và chúng có độ ưu tiên

Ó
I
. .
. .
Cổng 1
gói đã được xác định là không bị đánh dấu và cao hơn ngưỡng mà các gói có thể bị
tách.
Nhiều thuật toán có thể được đưa ra để cung cấp các mức được đánh dấu và
tính toán giá trị ngưỡng. Dù sao người thiết kế mạng đặt ra kế hoạch sử dụng lưu
lượng bị đánh dấu ở biên cũng cần cẩn thận khi lựa chọn các router lõi. Mối quan
tâm chính là khả năng sắp xếp lại các gói bị đánh dấu và không bị đánh dấu trong
lớp lưu lượng . Giải pháp này có thể xảy ra nếu router lõi sử dụng hai hàng đợi
riêng biệt cho các gói bị đánh dấu và các gói không bị đánh dấu. Điều này được mô
tả như trong hình vẽ : Vì các gói bị đánh dấu có độ ưu tiên thấp nên khi thực hiện phải lựa chọn để
đảm bảo độ ưu tiên bằng cách ấn định lập lịch băng thông cho các hàng đợi của các
gói bị đánh dấu và không bị đánh dấu. Hậu quả là các gói bị đánh dấu đến trước
Hình
2. 6

IntServ.
2. 4. 1. Router nguồn
Một router nguồn chỉ có một vài khối chức năng cơ bản sau:
 Các giao diện
 Khối định hướng
 Khối quản lý

Hình 2. 7 Router nguồn cho mạng IP Best Effort
Khi giao diện đầu vào chấp nhận các gói từ các router khác, và (dựa trên địa
chỉ IP của mỗi gói) khối định hướng chuyển các gói tới giao diện đầu vào phù hợp.
Sau đó mỗi giao diện sử dụng các cơ cấu kết nối đặc trưng để truyền dẫn gói theo
đường truyền dẫn tới router tiếp theo (hoặc host). Khi router tin chắc rằng vùng tắc
nghẽn tăng thêm một cách không thích hợp, các gói có thể bị tách hoặc bị đánh
dấu. Bộ xử lý các gói trên của khối định hướng (lựa chọn giao diện đầu vào và đối
phó với việc tắc nghẽn) được điều khiển bởi khối quản lý.
Trong hình vẽ trên, mỗi router có một khối xử lý trung tâm CPU để xử lý tất
cả các chức năng định hướng gói và quản lý. Trong các router xương sống có độ
thực thi cao, khối định hướng được phân phối thành các thẻ kết nối nhờ một cơ cấu
chuyển mạch tốc độ cao hoặc một bản nối đa năng. Tuy nhiên tất cả các router có
một chuỗi các bước mà các gói phải qua khi đã được xử lý.
Ngày nay QoS đã là một vấn đề rất quan trọng, vì thế khi các router gửi các
gói thì khối xử lý định hướng cần phải tính toán các giá trị cần thiết. Nhìn chung
một gói khi truyền đi phải qua ba giai đoạn chính sau:
Input
Input
Input
Out put
Input
Out put
Cập nhật bản tin

riêng biệt (chính sách, đánh dấu, quản lý hàng đợi và lập lịch), một vài khối thêm
vào có thể được sử dụng để sửa đổi quyết định định hướng. Ví dụ, một router tiên
tiến phải duy trì được các FIB (mô tả các cây có đường đi ngắn nhất trên cơ sở các
ma trận khác nhau) và lựa chọn chúng nhờ việc sử dụng thông tin khác trong phần
tiêu đề gói (ví dụ địa chỉ nguồn của gói). Hay ít nhất cũng là đóng một quan hệ
thường tồn tại giữa một khối của gói (được thiết lập qua bộ phân loại) và “lớp” của
nó (như đã thấy trên cơ sở end-to-end). Hình vẽ sau phản ánh đơn giản rằng tắc
nghẽn sẽ chắc chắn chỉ xảy ra tại giao diện đầu vào. Kiến trúc CQS được yêu cầu
tại tất cả các điểm tắc nghẽn, trong một mạng hoặc trong một router. Kiến trúc của
một router cũng có thể có ở bên trong các điểm tắc nghẽn (ví dụ tại đầu vào của
khối chuyển mạch hoặc tại bảng nối đa năng) và cũng cung cấp các hàng đợi và
các bộ lập lịch khác nhau cho tất cả các điểm tắc nghẽn đó.
Các đại lý router cung cấp các sản phẩm khác nhau của họ trên cơ sở cạnh
tranh giá cả. Các router Best Effort đầu tiên sẽ tìm thông tin trên FIB đã gây ra hiện
tượng nghẽn cổ chai. Dù sao, trong những năm gần đây, các thuật toán cho việc tra
cứu thông tin trên FIB đã phát triển quá nhanh với hàng triệu thông tin tra cứu
trong một giây.


Đây là kiểu mạng hiện hành đang được sử dụng. Hầu hết các ứng dụng dữ
liệu đều được vận hành theo cách này. Chúng đợi dữ liệu đến và xử lý chúng càng
sớm càng tốt ngay khi nhận được. Lớp dịch vụ này sẽ hỗ trợ thêm cho lớp lưu
lượng thời gian thực. Các ứng dụng có thể lựa chọn sử dụng một trong các lớp dịch
vụ đó, và khi chúng thấy không thể chấp nhận được độ trễ đó thì có thể sử dụng
một trong các lớp dịch vụ khác. Lớp dịch vụ best effort thì không có TSpec hoặc
RSpec, không có đảm bảo từ mạng và mạng không thực hiện bất kì điều khiển cấp
phép nào. Các mạng kiểu này không cung cấp bất kì một tính năng đặc biệt nào để
khôi phục lại các gói bị mất hoặc bị hỏng. Các dịch cụ được cung cấp bởi các hệ
thống đầu cuối.
Trong chồng giao thức TCP/IP thì TCP cung cấp các dịch vụ đảm bảo trong
khi IP cung cấp kiểu truyền Best effort (không có đảm bảo), nó sẽ cố gắng truyền
các gói đến đích nhưng không có chức năng khôi phục lại các gói bị mất hay
truyền sai. Bộ giao thức Internet trước đây chỉ bao gồm giao thức TCP/IP. Trong
quá trình phát triển thì các nhà thiết kế đã nhận ra tầm quan trọng của thời gian
truyền hơn là độ tin cậy truyền. Nói cách khác là quan tâm tới tốc độ hơn là việc
khôi phục các gói. Trong kiểu truyền voice, video thời gian thực thì một số góí bị
mất có thể bỏ qua được bởi việc khôi phục lại có thể tạo ra phần tiêu đề quá lớn
làm giảm hiệu năng của mạng. Để cung cấp loại lưu lượng thì TCP đã được tổ
chức lại trong TCP, IP, UDP. Các dịch vụ chuyển gói và đánh địa chỉ cơ bản trong
lớp mạng được thực hiện bởi IP. TCP, UDP nằm ở lớp truyền tải, phía trên của IP.
Tất cả đều sử dụng dịch vụ của IP, UDP là một phiên bản của TCP chấp nhận các
dịch vụ Best effort của IP. Các ứng dụng có thể sử dụng UDP khi không cần các
dịch vụ của TCP. Đối với các dịch vụ Best effort việc loại bỏ các gói có thể chấp
nhân được do việc khôi phục được xử lý bởi các dịch vụ khác.
Hì
nh
2.
9
Ch

truyền thống. Các ứng dụng đa phương tiện có các tham số và các yêu cầu khác
biệt hơn so với ứng dụng truyền thống. Các ứng dụng thời gian thực mới này ít đàn
hồi và phạm vi chịu ảnh hưởng của thay đổi độ trễ ít hơn. Khi kết nối xảy ra tắc
nghẽn thì việc giữ được chất lượng thoại và video là rất khó, đồng thời chúng
không thể thích nghi được với tắc nghẽn, điều này dẫn đến việc giới hạn băng
thông thậm chí không thể truyền được gói.
Mục đích của bất kì mạng nào là tối đa hoá hiệu năng của các ứng dụng hay
nói cách khác là phải thoả mãn được các yêu cầu dịch vụ. Để có thể hỗ trợ được các
ứng dụng mới như voice, video thì mạng phải hỗ trợ được các ứng dụng đa phương
tiện mới bằng việc đảm bảo được các yêu cầu của dịch vụ. Nếu mạng chỉ cung cấp
được một lớp dịch vụ best effort thì thật khó để đáp ứng được các yêu cầu của các
dịch vụ, do đó mạng phải cung cấp được đa lớp dịch vụ thì mới hỗ trợ được các dịch
vụ này tốt được. Việc trộn giữa các lớp dịch vụ với các ứng dụng phải dựa trên yêu
cầu của dịch vụ.
Nếu mạng hoàn toàn lựa chọn một lớp dịch vụ để phụ thuộc ứng dụng thì ta
chỉ cần hỗ trợ một lớp dịch vụ giới hạn. Để có các ứng dụng yêu cầu dịch vụ mà nó
thực hiện một cách rõ ràng thì mạng phải có lựa chọn được lớp dịch vụ. Ngoài ra
việc quyết định xem trong mạng có hỗ trợ điều khiển cấp phép hay không cũng là
một câu hỏi khó. Nếu không có chỉ định cấp phép thì chúng không thể phân định
rõ được các dịch vụ và mạng không thể chỉ rõ được các yêu cầu ứng dụng được
cung cấp. Điều khiển cấp phép được yêu cầu hiệu năng của các dịch vụ thời gian
thực phải được sử dụng tối đa bằng việc loại bỏ đi các yêu cầu cũ của luồng lưu
lượng mới. Do đó các dịch vụ Internet mở rộng phải phục vụ được các ứng dụng
nhạy với độ trễ bằng việc cung cấp đa lớp dịch vụ và việc đảm bảo các tham số bởi
điều khiển cấp phép.
Cách xử lý việc này là phát triển thêm các kiểu mạng cho yêu cầu của các
dịch vụ mới. Mạng tích hợp được đưa ra cũng vì mục đích đó .
2. Các yêu cầu của dịch vụ IntServ
 Tài nguyên phải được quản lý rõ ràng để thoả mãn các yêu cầu của dịch
vụ