LỜI CẢM ƠN
Sau gần ba tháng tìm hiểu và thực hiện đề tài“Xây dựng giải pháp cân bằng
tải và chất lượng dịch vụ trong mô hình mạng ba lớp” đã cơ bản hoàn thành. Để
đạt được kết quả này, em đã nỗ lực hết sức đồng thời cũng nhận được rất nhiều sự
quan tâm, giúp đỡ, ủng hộ của các thầy cô, bạn bè và gia đình.
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Vũ Huy Lượng
cùng Bộ môn Mạng Máy Tính và Truyền Thông - Đại Học Công Nghệ Thông Tin
và Truyền Thông - Đại Học Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn
thành đề tài này.
Đề tài đã hoàn thành với một số kết quả nhất định, tuy nhiên vẫn không tránh
khỏi sai sót. Kính mong sự cảm thông và đóng góp ý kiến từ các thầy cô và các bạn.

Thái nguyên, tháng 6 năm 2012
Sinh viên

Nguyễn Văn Chiến


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan những kết quả trong đồ án “Xây dựng giải pháp cân bằng
tải và chất lượng dịch vụ trong mô hình mạng ba lớp ” là sự nghiên cứu của em,
không sao chép của ai. Nội dung đồ án có tham khảo, sử dụng tài liệu, thông tin từ một
số nguồn khác được trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo, và một số website. Nếu có
gì giả dối em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2012
Sinh viên thực hiện

2


MỤC LỤC

Chương 2: Xây dựng giải pháp trong mạng ba lớp gồm có cân bằng tải và QoS.
Chương 3:Mô phỏng cấu hình cân bằng tải và QoS trong mô hình mạng ba lớp.
Em rất mong nhận được những lời nhận xét quý báu của các thầy cô giáo trong
bộ môn Mạng và Truyền Thông cũng như toàn thể thầy cô trong Trường Đại Học
Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông - Đại Học Thái Nguyên.

5


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
Mô hình mạng ba lớp là mô hình phổ biến hiện nay trong việc thiết kế mạng
LAN, WAN, mạng doanh nghiệp…với việc phân lớp như vậy thì mỗi lớp đảm nhiệm
một chức năng riêng của mình dẫn đến quá trình xử lý trong mạng nhanh hơn hiệu quả
hơn và dễ dàng quản lý, dễ tổ chức triển khai và sửa chữa mạng khi có sự cố. QoS
(Quanlity of Service) là công cụ tổng thể được dùng để bảo vệ, ưu tiên một số traffic
quan trọng hoặc tranffic đòi hỏi xử lý nhanh về thời gian. QoS mô tả cách thức packet
được chuyển mạch (forward) như thế nào. Cân bằng tải trong thiết kế mạng WAN,
LAN trong mô hình mạng ba lớp cho phép một router sử dụng nhiều định tuyến đến
một mục tiêu khi vận chuyển các gói tin.

1.1 Tổng quan về mô hình mạng ba lớp
1.1.1 Cấu trúc mạng ba lớp
Mô hình mạng ba lớp trong đó bao gồm lớp truy cập, lớp phân phối và lớp lõi.
Các chức năng này thường gắn liền và kết hợp với các lớp như là một phương pháp
phổ biến nhất để thiết kế mạng ba lớp. Được sử dụng trong các thiết kế mạng nội bộ,
mạng doanh nghiệp và mạng diện rộng. Cấp cung cấp một framework trong thiết kế
mạng sử dụng để đảm bảo mạng hoạt động một các linh hoạt, thực hiện một cách dễ
dàng và có thể khắc phục sự cố xảy ra.


Dòng 1700
Lớp truy cập mô tả chức năng lớp truy cập và tương tác của lớp truy cập cùng
với lớp phân phối và cục bộ hoặc người dùng từ xa.
Lớp truy cập là nơi tập trung mà client truy cập vào mạng. Lớp truy cập điều
khiển các thiết bị lưu lượng bởi các yêu cầu dịch vụ trong mạng cục bộ cho các
phương tiện truyền thông truy cập.
Mục đích của lớp truy cập là cấp quyền truy cập cho người dùng sử dụng tài
nguyên mạng.
8


 Đặc điểm của lớp truy cập
- Tạo ra các collision domain riêng biệt nhờ dùng các switch chứ không dùng
-

hub/bridge.
Lớp truy cập phải chọn các bộ chuyển mạch có mật độ cổng cao đồng thời phải có
giá thành thấp, kết nối đến các máy trạm hoặc kết nối tốc độ gigabit (1000Mbps)

-

đến thiết bị chuyển mạch ở lớp phân phối.
Trong một môi trường lớp truy cập thường kết hợp với các thiết bị chuyển mạch

-

LAN cùng với các cổng cung cấp kết nối cho các máy trạm và máy chủ.
Trong môi trường WAN, lớp truy cập cho teleworker cho phép truy cập từ xa vào
mạng công ty qua một số công nghệ mạng diện rộng như Frame Relay, Integrated


kích thước miền phát sóng. Chúng ta có thể triển khai nhiều VLAN và sử dụng
Spanning Tree Protocol (STP) để cung cấp thay thế đường đi trong trường hợp thất
bại. Ở lớp 2 sử dụng đường trunking để kết nối giữa chuyển mạch lớp truy cập và
chuyển mạch lớp phân phối, cùng với per-VLAN STP trên mỗi đường truyền có sử
dụng cân bằng tải và dự phòng, multilayer switch trong lớp phân phối cung cấp interVLAN kết nối đến lớp truy cập.
Sử dụng Multilayer Switching trong lớp truy cập
9


Thiết kế phổ biến nhất cho người dùng từ xa là sử dụng các thiết bị chuyển mạch
hoặc thiết bị định tuyến. Chuyển mạch hoặc định tuyến là danh giới cho miền quảng
bá và nó cần tuyền tin đến các miền quảng bá. Thiết bị định tuyến truy cập cung cấp
truy cập đến văn phòng từ xa bằng cách sử dụng công nghệ diện rộng kết hợp với tính
năng đa lớp như là lọc gói tin, xác thực, bảo mật, chất lượng dịch vụ (Qos). Những
công nghệ này cho phép tối ưu mạng để đáp ứng nhu cầu sử mạng của người dùng.
b. Lớp phân phối
Lớp phân phối làm việc ở giữa lớp lõi và lớp truy cậpvới vai trò đáp ứng một số
giao tiếp giúp giảm tải cho lớp lõi trong quá trình truyền thông tin trong mạng. Với tác
dụng của lớp này cung cấp danh giới cho việc sử dụng access lists và các tính năng lọc
khác để khi cần thiết sẽ gửi lên lớp lõi. Tuy nhiên lớp này cũng là lớp định nghĩa các
chính sách cho mạng. Các lớp phân phối chịu trách nhiệm cho việc định tuyến. Lớp
này bao gồm thiết bị định tuyến dựa trên mạng LAN và lớp ba bị chuyển mạch, đảm
bảo rằng các gói tin được định tuyến giữa các mạng con và VLAN trong doanh nghiệp
của bạn. Đồng thời nó còn được gọi là lớp Workgroup. Lớp phân phối có tác dụng
kiểm soát truyền mạng, bao gồm những gì liên quan đến và đi ra khỏi mạng. Cũng sẽ
hạn chế và tạo ra các lĩnh vực phát sóng, tạo ra các mạng LAN ảo, nếu cần thiết và
thực hiện các nhiệm vụ quản lý khác nhau, bao gồm có bản tóm tắt tuyến đường.
Trong một bản tóm tắt tuyến đường, củng cố lưu lượng truy cập từ subnet nhiều
vào một kết nối mạng lõi. Nó thực hiện chức năng đảm bảo gửi dữ liệu đến từng phân
đoạn mạng, đảm bảo an ninh an toàn, phân đoạn mạng theo nhóm công việc chia miền


11


-

QoS: Các bộ định tuyến lớp ba thiết bị chuyển mạch có thể đọc các gói tin và ưu
tiên giao hàng, dựa trên chính sách đã thiết lập.

-

Lớp tập hợp Access Point: phục vụ các điểm tập hợp cho các thiết bị chuyển
mạch.

-

Điều khiển Broadcast và Multicast: như là danh giới để phát sóng và các lĩnh vực
multicast.

-

Cổng ứng dụng: lớp cho phép tạo ra các cổng giao thức và kiến trúc mạng khác
nhau.

-

Lớp phân phối cũng thực hiện xếp hàng và cung cấp các thao tác gói lưu lượng
truy cập mạng.

-

lọc gói.
Sử dụng các chính sách để bảo mật mạng và chống các giao dịch không cần

thiết.Nếu một hệ thống mạng bao gồm hai hoặc nhiều routing protocol, như Routing
Information Protocol (RIP) và Interior Gateway Routing Protocol (IGRP), toàn bộ các
đề trên làm việc tại lớp phân phối.

 Vai trò lớp phân phối
Lớp phân phối miêu tả sự phân cách giữa lớp truy cập và lớp lõi.Lớp phân phối xác
định bộ phận hoặc nhóm làm việc truy cập và cung cấp kết nối.
12


Lớp phân phối kiểm soát điều khiển việc truy cập vào tài nguyên có sẵn ở lớp lõi
nên phải sử dụng băng thông một cách hiểu quả nhất.
Trong môi trường khuôn viên lớp phân phối tổng hợp hệ thống băng thông bằng
cách tập trung nhiều liên kết truy cập tốc độ thấp vào một liên kết lõi tốc độ cao và sử
dụng thiết bị chuyển mạch phân đoạn nhóm làm việc và cô lập các vấn đề về mạng để
ngăn chặn ảnh hưởng đến lớp lõi.
Cung cấp kết nối dự phòng từ các thiết bị truy cập, kết nối dự phòng cũng cung cấp
cơ chế cân bằng tải giữa các thiết bị.
Lớp phân phối đại diện cho một danh giới định tuyến giữa lớp truy cập và lớp lõi
và là nơi định tuyến và gói tin được thực hiện.
Lớp phân phối cho phép lớp lõi kết nối với các trang web với hiệu suất cao. Để duy
trì hiệu suất tốt trong lớp lõi, lớp phân phối có thể phân bổ lại giữa băng thông truy cập
nhiều lớp trong giao thức định tuyến và định tuyến tối ưu cho giao thức. Định tuyến
lọc cũng được thực hiện ở lớp này.
Lớp phân phối có thể tổng hợp các tuyến đường từ lớp truy cập để tăng hiệu suất
trong quá trình định tuyến. Đối với một số mạng lớp phân phối cung cấp một tuyến
đường mặc định để truy cập vào thiết bị định tuyến và chạy giao thức định tuyến động

đáp ứng toàn bộ quá trình truyền thông tin trên mạng, nhưng đó có thể được coi như
đường đại lộ liên kết các đường nhỏ với nhau, đôi khi các giao tiếp chỉ thực hiện ở một
lớp duy nhất mà thôi. Lớp lõi là lớp trung tâm của mạng LAN campus, nằm trên cùng
của mô hình ba lớp. Lớp lõi chịu trách nhiệm vận chuyển khối lượng lớn dữ liệu và mà
phải đảm bảo được độ tin cậy và nhanh chóng. Mục đích duy nhất của lớp lõi là phải
chuyển mạch dữ liệu càng nhanh càng tốt. Tuy phần lớn dữ liệu của người dùng được
vận chuyển qua lớp lõi, nhưng việc xử lý dữ liệu nếu có lại là trách nhiệm của lớp
phân phối.
Nếu có một sự hư hỏng xảy ra ở lớp lõi, hầu hết các người dùng trong mạng LAN
đều bị ảnh hưởng. Vì vậy, sự dự phòng là rất cần thiết lại lớp này. Do lớp lõi vận
chuyển một số lượng lớn dữ liệu, nên độ trễ tại lớp này phải là cực nhỏ. Tại lớp lõi, ta
không nên làm bất cứ một điều gì có thể ảnh hưởng đến tốc độ chuyển mạch tại lớp lõi
như là tạo các access list, routing giữa các VLAN với nhau hay packet filtering.
Các thiết bị hoạt động trong lớp Core Layer bao gồm các dòng: 12000, 7500, 7200
and routers.

14


Dòng 7000, 7200, 7500

Dòng 1200
Riêng dòng 1200 chỉ dành riêng cho các nhà ISP bởi giá cả và tính năng cao cấp
của nó với mục tiêu hướng tới các ISP. Tại lớp lõi với vai trò mang lại tốc độ truyền
cao với độ ổn định cao nên việc kết nối chủ yếu sử dụng leased line như: T1, T3, OC3,
better.
 Đặc điểm lớp lõi
- Có độ tin cậy cao, thiết kế dự phòng đầy đủ như dự phòng nguồn, dự phòng card
-


Lớp lõi là xương sống của mạng có tốc độ xủa lý cao nên được thiết kế để chuyển
các gói tin một cách nhanh chóngvà có thể tối ưu hóa quá trình vận chuyển thông

-

tin liên lạc trong mạng.
Lõi là rất quan trọng trong quá trình kết nối, các thiết bị lớp lõi sẽ cung cấp mức

-

độ cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng.
Lớp lõi không nên thực hiện bất kỳ một thao tác gói tin chẳng hạn như là kiểm tra

-

danh sách truy cập hoặc lọc mà sẽ làm chậm quá rình chuyển mạch của gói tin
Lớp lõi phải được quản lý
Các thiết bị lớp lõi phải có khả năng thực hiện các giao thức mở rộng và công
nghệ và cung cấp thay thế các đường dẫn và cân bằng tải.

Hình 1.4 Mô hình ứng dụng mạng phân lớp trong WAN
-

Gói tin lớp 3 chuyển tiếp với các bộ định tuyến phân phối
Bộ định tuyến phân phối chuyển tiếp các gói tin hướng tới một giao diện lõi
Gói tin được chuyển qua mạng lõi WAN
Bộ định tuyến phân phối nhận chuyển tiếp các gói tin hướng tới sự thích hợp trong

-


dịch vụ khác nhau thỏa mãn các điều kiện chuẩn về băng thông và thời gian trễ cần
thiết cho một ứng dụng nào đó.
Một tính chất chung của chất lượng dịch vụ là“Hiệu ứng chung của đặc tính
chất lượng dịch vụ là xác định mức độ hài lòng của người sử dụng đối với dịch vụ”.
Ngoài ra, QoS mang mộtý nghĩa là “Khả năng của mạng đảm bảo và duy trì các mức
thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo như các yêu cầu đã chỉ rõ của mỗi người
sử dụng”. Chất lượng dịch vụ được nhìn nhận từ hai khía cạnh: phía người sử dụng
dịch vụ và phía mạng.
Từ khía cạnh người sử dụng dịch vụ, QoS được coi là mức chấp nhận dịch vụ
của người sử dụng và thường được đánh giá trên thang điểm đánh giá trung bình MoS
17


(Mean of Score). QoS cần được cung cấp cho mỗi ứng dụng để người sử dụng có thể
chạy ứng dụng đó và mức QoS mà ứng dụng đòi hỏi chỉ có thể được xác định bởi
người dùng, bởi vì chỉ có người sử dụng mới có thể biết được chính xác ứng dụng của
mình cần gì để hoạt động tốt. Tuy nhiên, không phải người sử dụng tự động biết được
mạng cần phải cung cấp những gì cần thiết cho ứng dụng, họ phải tìm hiểu các thông
tin cung cấp từ người quản trị mạng và chắc chắn rằng, mạng không thể tự động đặt ra
QoS cần thiết cho một ứng dụng của người sử dụng. MOS dao đông từ mức (1-tồi) đến
mức (5-xuất sắc) và các nhà cung cấp dịch vụ dựa vào mức MOS này để đưa ra mức
chất lượng dịch vụ phù hợp cho dịch vụ của mình.
Từ khía cạnh dịch vụ mạng, QoS liên quan tới năng lực cung cấp các yêu
cầuchất lượng dịch vụ cho người sử dụng.
 Mạng chuyển mạch gói phải có khả năng phân biệt các lớp dịch vụ
 Một khi mạng có các lớp dịch vụ khác nhau, mạng pải có cơ chế ứng xử khác
nhau với các lớp bằng cách cung cấp các đảm bảo tài nguyên và phân biệt dịchvụ
trong mạng.
Mức độ chấp nhận dịch vụ của người sử dụng đầu cuối xácđịnh thông qua việc
kiểm tra các thông số mạng như mất gói, độ trễ, jitter và suất tắc nghẽn. Số lượng và

các cổng đầu vào của bộ định tuyến tới các chức năng đánh dấu gói tin và phân loại
gói tin, hai khối chức năng này của bộ định tuyến thực hiện nhiệm vụ (1). Các khối
19


chức năng: chính sách lưu lượng, quản lý hàng đợi, lập lịch gói tin và chia cắt lưu
lượng là các khối thực hiện nhiệm vụ (2)

Hình 1.6 Các khối chức năng đảm bảo QoS

1.2.4 Các tham số ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ
Việc đánh giá chất lượng mạng chủ yêu dựa trên bốn tham số là: băng thông, độ
trễ, trượt (jitter), tỉ lệ mất gói tin.
a. Băng thông
Thuật ngữ băng thông được sử dụng để chỉ khả năng truyền một lượng dữ liệu của
một giao thức, phượng tiện hoặc của một kêt nối. Nói chung, kết nối của các dịch vụ
được đảm bảo sẽ có các yêu cầu đối với mạng để cấp phát một lượng băng thông tối
thiểu.
Ví dụ một mạng có kiến trúc đa truy nhập như Frame Relay, ATM. Băng thông
thực tế đạt được dựa trên thỏa thuận kết nối dịch vụ giữa nhà cung cấp với khách hàng
hay giữa các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau.

20


Hình 1.7 Băng thông trong mạng đa truy cập
Cách tốt nhất để giải quyết vấn đề băng thông là dành càng nhiều băng thông cho
các kêt nối càng tốt. Tuy nhiên thực tế để tăng băng thông, ngoài chi phí phát triển
mạng lưới còn phát sinh các vấn đề trễ như trong các mạng hội tụ nhiều dịch vụ.
b. Độ trễ

gửi đến đích là khác nhau. Trong mạng chuyển mạch gói với các thành phần có trễ
biến đổi thì hiện tượng Jitter luôn xảy ra. Bởi vậy một số vấn đề cần đặt ra là làm sao
cho ảnh hưởng của Jitter không đủ để làm suy giảm chấy lượng dịch vụ.
d. Mất gói tin (Loss Packet)
Tỉ lệ mất gói tin chỉ ra số lượng gói tin bị mất trong mạng suốt quá trình truyền
dẫn. Mất gói tin do hai nguyên nhân chính: gói bị loại bỏ khi mạng bị tắc nghẽn
nghiêm trọng hoặc gói bị mất khi đường kết nối bị lỗi. Loại bỏ gói tin có thể xảy ra tại
các thời điểm tắc nghẽn do kỹ thuật QoS khi số lượng gói vượt quá kích thước hàng
đợi tại đầu ra.
Các biện pháp khắc phục việc mất gói tin tại các bộ định tuyến
 Tăng không gian bộ đếm để tương thích với các ứng dụng có độ bùng nổ lưu
lượng cao. Các kỹ thuật hàng đợi thường được sử dụng trong thực tế: hàng đợi ưu
tiên PQ, hàng đợi cân bằng trọng sốWFQ, hàng đợi cân bằng trọng số theo lớp
CBWFQ.
22


 Các phương pháp chống tắc nghẽn: Nhằm loại bỏ gói tin sớm trước khi có hiện
tượng tắc nghẽn xảy ra, các hang đợi RED, WRED được đánh giá là phương
pháp chống tắc nghẽn hiệu quả trong mạng TCP tốc độ cao.
 Thiết lập chính sách lưu lượng để giới hạn các gói tin ít quan trọng, ưu tiên các
gói tin quan trọng hơn.

1.1 Cân bằng tải
1.1.3 Khái niệm cân bằng tải
Cân bằng tải là một chức năng tiêu chuẩn trong các phần mềm định tuyến của
Cisco và có thể tồn tại trên hầu hết các router của các nhà sản xuất khác. Cân bằng tải
gắn liền với quá trình vận chuyển trong các router và được tự động kích hoạt nếu bảng
định tuyến có nhiều định tuyến đến một mục tiêu. Cân bằng tải có cơ sở là các giao
thức định tuyến chuẩn như RIP, RIP v2 (Routing Information Protocol), OSPF (Open


Riêng BGP (Border Gateway Protocol) có số lượng mặc định là 01. Số lượng tối đa có
thể cầu hình là 06. Các giao thức IGRP và EIGRP còn hỗ trợ cân bằng tải với giá trị
cost khác nhau. Ta có thể sử dụng lệnh variance với IGRP và EIGRP để cấu hình cơ
chế này. Lệnh maximum-paths được dùng để xác định số lượng đường dẫn tối đa có
thể ghi nhận dựa vào các giá trị đã cấu hình cho các giao thức.
 Điều kiện cânbằng tải
• Cùng Metric (RIP, EIGRP, OSPF)
Cân bằng tải trên các tuyến cùng khoảng cách còn gọi là metric (equal cost load
balancing).
• Khác Metric (EIGRP, OSPF)
Cân bằng tải trên các tuyến khác metric (unequal load balancing). Các giao thức
IGRP và EIGRP còn hỗ trợ cân bằng tải với giá trị cost khác nhau. Ta có thể sử dụng
lệnh variance với IGRP và EIGRP để cấu hình cơ chế này.

 Quá trình xử lý cân bằng tải
• Process switching
Process switching hay còn gọi là cân bằng theo theo gói tin (per packet): khi có
nhiều con đường đến một đích với metric bằng nhau thì router sẽ route gói tin thứ một
theo đường 1, gói tin thứ hai theo đường 2.
• Fast switching
Fast switching còn gọi là cân bằng theo đích (per destination): khi có nhiều con
đường tới một đích với metric bằng nhau thì với mỗi phiên kết nối, router sẽ chuyển
tất cả các gói tin theo một đường.

25