Mục tiêu trong môi trường QoS cho phép là có khả năng phân phối dịch vụ dự đoán trước cho các phân loại hoặc những loại lưu lượng, không quan tâm đến các luồng lưu lượng khác đang “chảy” thông qua mạng tại bất kỳ thời điểm xác định nào. Sự diễn đạt khác của mục tiêu này là quá trình tạo một giải pháp mạng IP đa dịch vụ nơi mà lưu lượng bùng nổ truyền thống có thể chia sẻ cùng một thiết bị như (router, switch và đường liên kết) bằng các lưu lượng với những yêu cầu nhiều hơn về trễ, jitter, băng thông và mất gói.
Không kể việc tập trung vào mạng trong suốt, mạng truy nhập hay mạng đường trục (hay một số kết hợp giữa chúng), đường dẫn edge – to – edge bởi các gói của người sử dụng đơn chỉ đơn thuần là sự nối tiếp của các liên kết và các router. Vì vậy ngay từ lúc đầu chúng ta phải cố gắng phác thảo tổng quan những chức năng của phương thức chuyển tiếp trong bộ định tuyến.
Mặc dù một router truyền thống chủ yếu tập trung vào nơi gửi gói (tạo quyết định chuyển tiếp dựa trên cơ sở địa chỉ đính trong mỗi gói và chứa thông tin về bảng chuyển tiếp cục bộ), những bộ định tuyến cho những mạng IP xác lập chất lượng dịch vụ phải có khả năng điều khiển khi gửi gói đi.
3.2.1 Nghẽn tạm thời, trễ , biến động trễ và mất gói.
Trễ :Đối với mỗi một router khả năng điều khiển nhỏ nhất của chúng cũng là điểm quy tụ và phân chia cho hàng chục, hàng trăm hay hàng nghìn luồng gói. Trong hầu hết các mạng dữ liệu, lưu lượng đến luôn mang khả năng bùng nổ. Ở thời điểm có một sự kiện xảy ra thông thường, xuốt hiện tượng đến đồng thời của gói bùng nổ từ nhiều đường kết nối và tất cả đích của các luồng gói này cùng định hướng tới một kết nối đầu ra (bản thân các kết nối chỉ có giới hạn duy nhất về khả năng của chúng), rời khỏi router với số gói nhiều hơn nó có thể lưu thoát trôi chảy tức thời. Ví dụ, lưu lượng hội tụ từ nhiêu đường liên kết Ethernet 100 Mbps có thể dễ dàng vượt qúa khả năng kênh vùng mở rộng OC – 3/ STM – 1 155 Mbps, hoặc lưu lượng từ một số kết nối T3/E3 có thể đồng thời yêu
cầu chuyển tiếp ra ngoài dọc theo đường liên kết nhỏ hơn T1/E1. Để đối phó với điều đó, tất cả các router kết hợp các bộ đệm (hàng đợi) nội bộ, chúng lưu giữ các “gói vựơt quá”
cho đến khi chúng có thể gửi tiếp. Những gói trong tình huống trên cố gắng gửi thông qua bộ định tuyến điều đó là trễ tăng lên do cộng vào. Như vậy bộ đệm router dùng để khắc phục nghẽn ngắn hạn.
Trễ end – to – end gây ra bởi một gói là sự kết hợp của trễ truyền dẫn qua mỗi liên kết và trễ quá trình gây ra trong mỗi router. Trễ tạo ra bởi các công nghệ kết nối như các SONET, SDH, đường leased line hay kênh ảo ATM tốc độ bit cố định (CBR) được dự đoán trước một cách hợp lý khi thiết kế. Nhưng trễ đóng góp bởi mỗi bộ đệm của router thêm vào thì không thể dự đoán trước. Nó giao động thay đổi theo mô hình nghẽn, thường thay đổi không xác định thậm chí cả các gói có cùng đích tới. Thành phần giao động ngẫu nhiên của trễ end – to – end thường được gọi là jitter.
Mất gói: Thêm một vấn đề khác đó là mất gói. Rõ ràng rằng khả năng của bộ đệm router chỉ có một giới hạn nào đó,vì trong giai đoạn duy trì nghẽn các gói được chứa trong bộ đệm có thể đạt tới giới hạn về không gian bộ đệm. Bộ đêm có khoảng trống chở lại khi các gói được chuyển tiếp đi. Nếu gói vẫn tiếp tục đi vào bộ đểm thì để cho bộ đệm vẫn khả dụng thì gói phải bị thải hồi .
Jitter :Rõ ràng một vấn đề ở đây là các router truyền thống chỉ có một hàng đợi cho mỗi điểm nghẽn nội (trong ví dụ trong hình 3.3, một giao diện đầu ra đang thoát đi lưu lượng với tốc độ cho phép) và không có kỹ thuật tách các lớp hoặc các loại khác nhau từ luồng lưu lượng khác chuyển qua nó. Tính thất thường của các lưu lượng không liên quan chuyển qua hàng đợi chia sẻ tại mỗi điểm nghẽn nội có ảnh hưởng lớn vào trễ, jitter và mất gói trên mỗi luồng lưu lượng.
Hàng đợi FIFO
Độ dài gói L
X pps Cổng 1
Y1 pps
Y2 pps cổng n
Hình 3.3: Hàng đợi FIFO trên router nỗ lực tối đa
Trên hình 3.3 cho thấy. Những gói đến từ mỗi cổng vào với tốc độ lớn nhất trong những giá trị từ Y1 đếnYn pps (packets per second). Ở liên kết biên ngoài các gói được lấy ra từ tốc độ hàng đợi X pps. Ta có tổng tốc độ đầu vào là Y
( Y = Y1 + Y2 + ... + Yn). Với giá trị Y nhỏ hơn X thì các gói sẽ không cần phải đợi trong hàng đợi mà được chuyển ra ngoài ngay. Nhưng khi Y bắt đầu vượt quá X thì bắt đầu xuốt hiện nghẽn do hiệu tốc độ đầu vào và đầu ra tăng lên một lượng Y-X > 0.
Lượng gói P trong hàng đợi sau một khoảng thời gian T sẽ là: P = T * ( Y − X ). Như
vậy khi một gói đến tại thời điểm T khi trong hàng đợi đã có gói khác thì nó sẽ bị trễ một thời gian là X*P giây (bởi vì gói phải đợi trong hàng đợi được lưu thoát với tốc độ là X pps). Nếu một gói đến khi hàng đợi đã đầy (P=L, L là không gian khả dụng của hàng đợi) thì gói sẽ bị loại bỏ. Jitter xuốt hiện từ việc các thành phần của Y bùng nổ và không tương quan với đầu ra.
Nếu gói có độ dài cố định thì mối quan hệ thân thiện đơn giản sẽ tồn tại giữa hai dạng tốc độ được biểu diễn. Tuy nhiên trong môi trường IP thông thường độ dài các gói tin là không cố định, hơn nữa nó lại có tính thay đổi mối quan hệ giữa tốc độ kết nối đầu ra, số lượng gói tồn đọng và trễ gây ra bởi các gói tồn đọng đó.
3.2.2 Sự phân loại , hàng đợi và lập lịch
Như vậy chúng ta cần phải cải thiện điều gì? Những đặc tính trễ, Jitter, và mất gói của một mạng IP đã có, cuối cùng chung quy lại là đặc tính QoS của các kết nối và tính mềm dẻo của việc sử dụng hàng đợi , quản lý hàng đợi trong mỗi router. Nếu tải mạng vượt quá tốc độ dịch vụ thì một hàng đợi đơn tại mỗi điểm nghẽn nội sẽ không đủ khả năng đáp ứng. Để thay thế cần phải có một hàng đợi cho mỗi lớp lưu lượng có thể nhận biết cho các đặc tính độc lập như: trễ, biến động trễ và mất gói được yêu cầu.
Mỗi hàng đợi này chúng có các chính sách loại bỏ gói của bản thân nó (ví dụ như: đối với hàng đợi khác nhau thì có thể có mức ngưỡng khác nhau, và các gói được loại bỏ một cách ngẫu nhiên hay xác định). Tất nhiên nhiều hàng đợi trên giao diện đầu ra được sử dụng mà không có kỹ thuật để ấn định các gói tới hàng đợi phù hợp.
Một phương pháp phân loại được yêu cầu trên sự tìm kiếm chuyển tiếp chặng kế tiếp truyền thống của router. Cuối cùng, các hàng đợi phải chia sẻ tất cả khả năng về giới hạn của kết nối đầu ra mà chúng cho ra. Nhu cầu này bao hàm việc thêm vào một kỹ thuật lập lịch cho các gói chuyển ra từ mỗi hàng đợi và như vậy có sự dàn xếp truy nhập kết nối trong khả năng điều kiểu và dự đoán trước.
Các nhu cầu trước đây được giữ lại như bằng một sự trình bày mà những mạng cho phép xác lập QoS yêu cầu những router có thể lập lịch (CQS), phân loại , hàng đợi khác biệt cho tất cả các loại lưu lượng cần thiết (xem hình 3.4). Các router ở đây nói đến có kiến trúc CQS.
Hàng đợi Hàng đợi Hàng đợi
Hàng đợi
Phân loại
Cổng 1
Cổng 2
Lập lịch
Cổng M
Hình 3.4: Phân loại, hàng đợi và lập lịch từng chặng cho phép hàng đợi và bộ lập lịch có thể độc lập.
3.2.3 Chất lượng dịch vụ mức liên kết
Đôi khi bộ lập lịch của một router phải thực hiện nhiều hơn việc chèn lưu lượng thông thường ở mức gói IP. Khả năng của bộ lập lịch cho việc chèn lưu lượng một cách trôi chảy thuộc hàng đợi khác nhau phụ thuộc kết nối biên ngoài có thể truyền dẫn mỗi gói nhanh như thế nào. Với các kết nối tốc độ cao (như là mạng SONET hoặc SDH 150 Mbps), một gói tin IP dài 1500 byte cần ít nhất 80 μs để truyền dẫn. Điều này cho phép bộ lập lịch phân chia băng thông kết nối trong những khe thời gian 80 μs. Tuy nhiên tại biên của mạng Internet, nhiều kết nối đang vận hành tại tốc độ 1 Mbps hoặc thấp hơn – trong khoảng rộng từ 56 đến 128 Kbps cho mạng số dịch vụ tích hợp (ISDN) ở Bắc Mĩ và Châu Âu, và xuống tới 28,8 Kbps trong trường hợp kết nối modem dial-up.
Một gói tin IP được truyền dẫn qua kết nối 128 Mbps mất khoảng 94 ms, là một trở ngại về măt thời gian cho việc hoàn thành truyền dẫn. Có hay không sự quan tâm đến sự ảnh hưởng của jitter có trong phân loại ở các hàng đợi khác nhau, các gói đó cũng trải qua biến động trễ 94 ms khi bộ lập lịch kéo gói tin 1500 byte từ các hàng đợi khác. Rõ ràng điều này gây ra một số vấn đề nếu các ứng dụng QoS nhạy cảm được hỗi trợ ở khía cạnh xa hơn của các kết nối tốc độ thấp thông thường.
Giải pháp cơ bản là thực hiện việc bổ sung các đoạn các gói IP tại mức kết nối một cách rõ ràng cho chính tầng IP. Kiến trúc CQS sau đó được áp dụng tại mức kết nối bởi các phân đoạn hàng đợi tốt hơn là các gói nguyên vẹn. Như vậy sự cho phép bộ lập lịch chèn vào các đoạn biên giới (hình 3.5). Bằng cách chọn lựa kích thước đoạn nhỏ hơn phù hợp như một
tiếp cận cho phép lưu lượng IP nhạy cảm với Jitter để tránh bị tồn đọng bên cạnh các gói IP dài.
Segement Queue
Segement Queue
Segement Queue
Segement Queue
Phân loại
Cổng 1
Cổng 2
Lập lịch
Cổng M Pac -
ket seg - ment ation
Hình 3.5: Sự phân đoạn trước lập lịch cải tiến việc chèn trên kết nối tốc độ thấp.
Mặc dù ATM ban đầu được thiết kết cho đường kết nối tốc độ cao, thiết kế của nó phản ánh mối quan tâm tương tự với việc thu hẹp cực tiểu khoảng thời gian phân loại khi duy trì kết nối. Tế bào ATM được thiết kế ngắn và mỗi chuyển mạch ATM là một ví dụ về kiến trúc CQS. Tế bào đến được xếp hàng để truyền phù hợp với nội dung trường nhận biết đường ảo (VPI) của chúng. Sử dụng các trường nhận dạng VCI/VPI, VC để định . Các chuyển mạch ATM tốt có các hàng đợi cho mỗi lớp lưu lượng trên mỗi cổng cơ sở và các bộ lập lịch chuyển các tế bào ra ngoài mỗi cổng phù hợp với băng thông đảm bảo.