QoS mạng IP

Giới thiệu

Việc phân lớp lưu lượng được thực hiện tại cả lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu - Datalink layer) và lớp 3 (lớp mạng Network layer) trong mô hình OSI.

Phân lớp lưu lượng ở mức lớp mạng

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 cam kết QoS (Best Effort). 7 giá trị 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.
Trong trường hợp cần thiết phải phân chia nhiều hơn 8 lớp lưu lượng, chúng ta có thể sử dụng 6 bit đầu tiên của trường ToS gọi là trường DSCP. Trường DSCP có giá trị từ 0 đến 63, do đó nó cho phép chúng ta phân chia lưu lượng IP thành 64 lớp dịch vụ khác nhau. 
Tuy nhiên, một số thiết bị mạng cũ có thể không hỗ trợ việc phân lớp lưu lượng sử dụng trường DSCP này. Hơn nữa, trường IP Precedence thực tế là nằm trong trường DSCP nên chúng ta không thể cùng lúc vừa phân lớp lưu lượng theo IP Precedence và vừa theo DSCP.

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 vẽ) được dùng để phân lớp lưu lượng. Như vậy tại mức liên kết dữ liệu chúng ta cũng có thể phân chia lưu lượng thành 8 lớp với các mức ưu tiên tăng dần tương tự như khi sử dụng IP Precedence tại lớp mạng của gói tin IP.

Giới thiệu

Ngày càng nhiều ứng dụng mới hoạt động trên hạ mạng Internet sẵn có. Các ứng dụng như hội nghị truyền hình, thoại IP (VoIP), đòi hỏi lưu lượng phải đảm bảo chất lượng dịch vụ. Các yêu cầu này bao gồm băng thông, tỷ lệ mất gói và độ trễ cho phép. Các thành phần của mạng như bộ định tuyến thực hiện chức năng xử lý các luồng dữ liệu này có thể chấp nhận hoặc từ chối các luồng dữ liệu theo các điều kiện định trước. Tiến trình ra quyết định chấp nhận hay từ chối các luồng dữ liệu mới được gọi là điều khiển lưu lượng vào. Vậy điều khiển lưu lượng vào giới hạn tải trên hệ thống hàng đợi bằng cách xác định xem liệu một yêu cầu dịch vụ mới có thể đáp ứng được không trong khi vẫn đảm bảo không phá vở các cam kết đảm bảo dịch vụ cho các luồng lưu lượng đã được thiết lập. Các hệ thống hàng đợi là trung tâm trong việc cài đặt các dịch vụ mạng có điều khiển QoS.
Quá trình thực hiện cam kết chất lượng dịch vụ đòi hỏi kết hợp các kỹ thuật điều khiển lưu lượng vào và các kỹ thuật phân phối lưu lượng ra. Điều khiển lưu lượng vào sẽ điều tiết gói dữ liệu đến giao diện mạng đầu vào. 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.

Điều khiển lưu lượng vào

Nội dung chính của cơ chế điều khiển lưu lượng vào là đảm bảo tài nguyên mạng không được quá tải. Nói cách khác, nó phải đảm bảo rằng tổng tỷ lệ đăng ký sử dụng tài nguyên của mọi luồng lưu lượng truyền qua mọi kết nối mạng là không lớn hơn dung lượng của kết nối. Phương trình toán học biểu diễn như sau:
Trong đó µ, là dung lượng kết nối tính theo bit/giây (bits/second) và Ri là tỷ lệ lưu lượng của luồng thứ i.

Phân phối lưu lượng ra (Scheduling Algorithms)

Cơ sở của việc phân phối lưu lượng ra là cấu trúc hàng đợi. Bộ phân phối lưu lượng quyết định trật tự ra khỏi hàng của các phần tử trong hàng đợi, vì vậy chúng liên quan đến việc cấp phát tài nguyên trong các bộ chuyển mạch và định tuyến, mô hình tổng quát của bộ phân phối lưu lượng ra như trong hình sau:

Giới thiệu mô hình quản lý băng thông động

Mô hình quản lý băng thông động mà chúng tôi nghiên cứu hoạt động theo nguyên lý của hệ thống phản hồi mạch đóng (xem hình vẽ). Thành phần chính của hệ thống tương tự như trong mô hình quản lý băng thông tĩnh bao gồm bộ điều khiển lưu lượng vào và bộ phân phối lưu lượng ra. Ở đây, chúng ta tập trung nghiên cứu giải pháp quản lý băng thông tại các bộ định tuyến nhằm cấp phát tài nguyên cho các gói tin đến theo các ràng buộc QoS, điều kiện lưu lượng hiện tại và băng thông sẵn sàng tại cổng vào/ra của bộ định tuyến. Với hệ thống được thiết kế như trên, chúng ta cần phải tính toán các tham số phản hồi của hệ thống, kết hợp với các tham số đầu vào để áp dụng vào điều khiển một cách linh hoạt lưu lượng đầu vào cũng như phân phối lưu lượng hướng ra.