Xem mẫu
- i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN THỊ NGÂN
CÁC CƠ CHẾ ĐỊNH TUYẾN QoS VÀ THUẬT TOÁN
MỞ ĐƯỜNG NGẮN NHẤT ĐẦU TIÊN (OSPF) MỞ RỘN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội – 2011
- ii
M ỤC L ỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN QoS ...................................... 3
1.1. Giới thiệu định tuyến dựa trên QoS .......................................................... 3
1.1.1. Định tuyến .......................................................................................... 3
1.1.2. Định tuyến dựa trên QoS .................................................................... 5
1.1.3. Mục đích của định tuyến dựa trên QoS ............................................... 7
1.2. Các vấn đề cơ bản của định tuyến dựa trên QoS ....................................... 8
1.2.1. Metric và sự tính toán đường đi .......................................................... 8
1.2.2. Lan truyền và duy trì thông tin ........................................................... 9
1.2.3. Mô hình thông tin trạng thái không chính xác .................................. 10
1.2.4. Điều khiển của quản trị mạng ........................................................... 11
1.2.5. Vấn đề thuật toán trong định tuyến dựa trên QoS. ............................ 11
1.2.6. Vấn đề động trong định tuyến dựa trên QoS ..................................... 15
1.3. Kỹ thuật OSPF và vấn đề mở rộng OSPF cho định tuyến QoS ............... 17
1.3.1. Kỹ thuật OSPF ................................................................................. 17
1.3.2. Độ tin cậy trong định tuyến dựa trên QoS......................................... 21
1.3.3. Đặt vấn đề nghiên cứu thuật toán OSPF mở rộng ............................. 22
CHƯƠNG 2 – CƠ BẢN VỀ CÁC CƠ CHẾ ĐỊNH TUYẾN QoS [2] .............. 25
2.1. Định tuyến QoS nội miền ....................................................................... 25
2.1.1. Vấn đề thuật toán lựa chọn đường đi ................................................ 26
2.1.2. Định tuyến đa đích ........................................................................... 31
2.1.3. Định tuyến liên kết riêng biệt ........................................................... 33
2.1.4. Phương pháp định tuyến dựa trên dự đoán........................................ 34
2.2. Định tuyến QoS liên miền[14] ................................................................ 36
- iii
2.2.1. Các mở rộng QoS và kỹ thuật lưu lượng sử dụng BGP ..................... 37
2.2.2. Các phương pháp che phủ ................................................................ 37
2.2.3. Multihoming..................................................................................... 39
2.3. Bảng định tuyến ..................................................................................... 42
2.3.1. Cơ chế trao đổi thông tin để xây dựng bảng định tuyến .................... 44
2.3.2. Các chính sách cập nhật.................................................................... 44
2.3.3. Cơ chế chuyển tiếp ........................................................................... 46
2.3.4. Chuyển tiếp hai mức giới hạn ........................................................... 49
CHƯƠNG 3 - OSPF MỞ RỘNG CHO ĐỊNH TUYẾN QoS........................... 51
3.1. Mở rộng đảm bảo chất lượng dịch vụ cho OSPF [7]- [12] ...................... 51
3.1.1. Các khả năng tùy chọn QoS.............................................................. 51
3.1.2. Mã hóa tài nguyên khi TOS mở rộng ................................................ 52
3.1.3. Mã hóa băng thông ........................................................................... 53
3.1.4. Mã hóa trễ ........................................................................................ 55
3.2. Các cơ chế thực hiện mở rộng QoS cho OSPF........................................ 55
3.2.1. Các thuật toán và thông tin lựa chọn đường dẫn ............................... 55
3.2.2. Thông báo thông tin trạng thái liên kết ............................................. 63
3.3. Khảo sát cơ chế chuyển tiếp trong định tuyến OSPF mở rộng cho QoS .. 66
3.3.1. Hiệu suất của các phiên bản không giới hạn ..................................... 68
3.3.2. Hiệu suất của các phiên bản giới hạn ................................................ 72
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 76
- iv
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ARPANET Advanced Research Projects Mạng lưới cơ quan với các đề
Agency Network án nghiên cứu tiên tiến
AS Autonomous System Hệ thống tự trị
ASid Autonomous System Số nhận dạng hệ thống tự trị
Identifier
BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên
BRP Bandwidth Restricted Path Tuyến bị giới hạn băng thông
CLM Connectionless Multicast Đa điểm không kết nối
COS Class of Service Lớp dịch vụ
DIMCRA Link-Disjoint Multiple Thuật toán định tuyến đa
Constraints Routing rằng buộc liên kết rời rạc
Algorithm
DVMRP Distance Vector Multicast Giao thức định tuyến đa điểm
Routing Protocol theo véc-tơ khoảng cách
FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp
IETE Internet Engineering Task Nhóm đặc trách kỹ thuật
Force internet
IP Internet Protocol Giao thức Internet
ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ
Internet
ITU International Hiệp hội viễn thông quốc tế
Telecommunication Union
LSA Link State Advertisement Thông báo trạng thái liên kết
- v
MAMCRA Multicast Adaptive Multiple Thuật toán định tuyến đa
Constraints Routing ràng buộc thích ứng đa điểm
Algorithm
MCOP Multi-Constrained Optimal Tuyến tối ưu đa ràng buộc
Path
MCP Multi-Constrained Path Tuyến đa ràng buộc
MOSPF Multicast Open Shortest Path Mở đường ngắn nhất đầu tiên
First đa điểm
MP-BGP Multi-Protocol BGP BGP đa giao thức
MPLS Multiprotocol Label Chuyển mạch nhẵn đa giao
Switching thức
NP Non-Polynomial Không đa thức
OSPF Open Shortest Path First Mở đường ngắn nhất đầu tiên
PBR Prediction-based routing Phương pháp định tuyến dựa
approach trên dự đoán
PIM Protocol Independent Chế độ đa điể m không phụ
Multicast thuộc giao thức
PNNI Private Network – Network Giao diện mạng - mạng cá
Interface nhân
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
QoSR QoS-based Routing Định tuyến dựa trên Chất
lượng dịch vụ
RIS Routing Information Service Dịch vụ thông tin định tuyến
RSVP Reservation Protocol Giao thức giữ chỗ
SAMCRA Self-Adaptive Multiple Thuật toán định tuyến đa
Constraints Routing ràng buộc tự thích ứng
Algorithm
- vi
SLA Service Level Agreement Thỏa thuận mức độ dịch vụ
TOS Types of Service Kiểu dịch vụ
UMTS Universal Mobile Hệ thống viễn thông di động
Telecommunications Systems toàn cầu
VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo
WIFI Wireless Fidelity Thông tin không dây trung
thực
- vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Định tuyến .......................................................................................... 3
Hình 1.2. Ví dụ về phương pháp định tuyến dựa trên QoS ................................. 6
Hình 1.3. Mối quan hệ giữa ba kiểu định tuyến .................................................. 6
Hình 1.4. Cấu trúc định tuyến phân cấp ............................................................ 13
Hình 1.5. Ví dụ về bảng định tuyến phân cấp (của A1) ................................... 13
Hình 1.6. Đường dẫn ngắn nhất trong một sơ đồ có hướng............................... 15
Hình 1.7. Ví dụ mạng ....................................................................................... 18
Hình 1.8. Bắt đầu từ router A và các LSA của nó ............................................. 18
Hình 1.9. Lựa chọn router B, và thêm các LSA của nó ..................................... 18
Hình 1.10. Lựa chọn router E, tuyến đường không tốt hơn tới router C ............ 19
Hình 1.11. Lựa chọn router C, và thêm các LSA của nó ................................... 19
Hình 1.12. Lựa chọn router F, và thêm các LSA của nó ................................... 19
Hình 1.13. Lựa chọn router G, và thêm các LSA của nó. .................................. 20
Tuyến đường tốt hơn tới router D được tìm thấy .............................................. 20
Hình 1.14. Lựa chọn router D ........................................................................... 20
Hình 1.15. Định tuyến nội miền so với định tuyến liên miền ............................ 23
Hình 2.1. Ví dụ về việc dự đoán với 2 lộ trình .................................................. 35
Hình 2.2. Cơ chế chuyển tiếp gói tin tại một nút............................................... 47
Hình 3.1. Một ví dụ mạng ................................................................................ 67
Hình 3.2. MESH-I ............................................................................................ 68
Hình 3.3. ISP .................................................................................................... 68
Hình 3.4. Flooding không giới hạn: Quá tải trên MESH-I ................................ 69
Hình 3.5. Flooding không giới hạn: băng thông nhận vào trong MESH-I ......... 70
Hình 3.6. Flooding không giới hạn: Quá tải trên ISP ........................................ 71
- viii
Hình 3.7. Flooding không giới hạn: băng thông nhận vào trên ISP ................... 71
Hình 3.8. Giới hạn (L): Quá tải trên MESH-I ................................................... 72
Hình 3.9. Giới hạn (L): Băng thông nhận vào trên MESH-I ............................. 73
Hình 3.10. Giới hạn (L): Quá tải trên ISP ......................................................... 74
Hình 3.11. Giới hạn (L): Băng thông nhận vào trên ISP ................................... 74
- 1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi công nghệ viễn thông đang phát triển mạnh mẽ trên toàn
thế giới thì vấn đề QoS là mối quan tâm lớn nhất không chỉ của các nhà cung
cấp dịch vụ viễn thông mà của cả những khách hàng sử dụng dịch vụ. Nhằ m
mục đích nâng cao chất lượng và hiệu quả của mạng thì một trong những giải
pháp được quan tâm là định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ (định tuyến QoS-
QoSR). QoSR không những có vai trò làm tăng chất lượng dịch vụ mà còn có ý
nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí vận hành mạng, đem lại hiệu quả kinh
doanh và ý nghĩa kinh tế to lớn trên đà phát triển của mạng viễn thông.
Vấn đề định tuyến trên mạng Internet hiện nay tập trung chủ yế u vào việc
cung cấp kết nối và thường chỉ hỗ trợ dịch vụ dữ liệu “cố gắng tối đa”, với các
giao thức định tuyến dùng phương pháp định tuyến tìm đường ngắn nhất OSPF,
việc định tuyến được tối ưu dựa trên các số đo tĩnh như là số lượng các chặng và
các trọng số mang tính quản trị. Dịch vụ được cung cấp bởi những giao thức này
chỉ thích hợp cho các ứng dụng dữ liệu truyền thống mà không thích hợp cho
nhiều ứng dụng yêu cầu sự đảm bảo chặt chẽ về độ trễ và băng thông. Hơn nữa,
với sự phát triển bùng nổ của lưu lượng Internet, việc duy trì định tuyến tìm
đường ngắn nhất của Internet hiện thời dẫn đến sự phân bố mất cân đối của lưu
lượng.
Các giao thức định tuyến hiện nay được sử dụng trong các mạng IP,
không có bất kỳ nhận thức nào về nguồn tài nguyên sẵn có và yêu cầu. Điều này
có nghĩa là luồng lưu lượng thường được định tuyến qua các tuyến đường không
có khả năng hỗ trợ các yêu cầu của chúng, trong khi các tuyến đường kế tiếp
nhau với đủ các nguồn tài nguyên có sẵn. Điều này có thể dẫn đến suy giảm
đáng kể về hiệu suất. Mục tiêu của định tuyến đảm bảo QoS là cung cấp các
thuật toán định tuyến có khả năng nhận biết đường dẫn để đáp ứng số lượng tối
đa có thể có của các luồng lưu lượng với các yêu cầu QoS. Theo đó, định tuyế n
đảm bảo QoS trong bối cảnh của Internet ngày nay đã nhận được sự quan tâm
ngày càng lớn.
Xuất phát từ thực tế trên, đề tài nghiên cứu: “Các cơ chế định tuyến QoS
và thuật toán mở đường ngắn nhất đầu tiên (OSPF) mở rộng” được lựa
chọn. Thay vì tìm hiểu các vấn đề chung khá rộng lớn của định tuyến QoS, ở
đây chỉ tập trung vào một vấn đề cụ thể, dựa trên một giao thức định tuyến hiện
có. Cụ thể là, mô tả một tập hợp các đề xuất bổ sung cho giao thức định tuyế n
OSPF để hỗ trợ cho việc định tuyến đảm bảo chất lượng của dịch vụ (QoS)
- 2
trong IP. Tập trung vào các luồng lưu lượng đơn điể m, chú trọng tới các metric
cần thiết để hỗ trợ QoS, các cơ chế thông báo liên kết kết hợp, thuật toán lựa
chọn đường dẫn, cũng như các khía cạnh của việc thiết lập tuyến đường đả m bảo
QoS. Mục tiêu là định rõ một cách tiếp cận, trong khi đạt được các mục tiêu cải
thiện hiệu suất cho các luồng lưu lượng QoS, làm như vậy với các tác động ít
nhất có thể trên giao thức OSPF hiện có.
Nội dung chính của luận văn gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan về định tuyến đảm bảo QoS
Nội dung chính của chương này là giới thiệu các khái niệ m, các vấn đề
liên quan cần nghiên cứu về định tuyến đảm bảo QoS và đặt vấn đề cho các mở
rộng sang OSPF.
Chương 2: Các cơ chế định tuyến QoS
Nội dung chính là trình bày về định tuyến QoS trong mạng phân cấp và
các cơ chế định tuyến đảm bảo QoS.
Chương 3: OSPF mở rộng cho định tuyến đảm bảo chất lượng
Nội dung tập trung vào các mở rộng của OSPF cho định tuyến QoS.
- 3
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN QoS
1.1. Giới thiệu định tuyến dựa trên QoS
1.1.1. Định tuyến
Định tuyến là sự lựa chọn đường đi để truyền một đơn vị dữ liệu từ trạ m
nguồn đến trạm đích trong một liên mạng theo tiêu chí nhất định. Chức năng
định tuyến được thực hiện ở tầng mạng, cho phép router đánh giá các đường đi
sẵn có tới đích và chọn đường đi thích hợp (Hình 1.1). Để đánh giá đường đi,
định tuyến sử dụng các thông tin topo mạng, các thông tin này có thể do người
quản trị thiết lập hoặc được thu lượm thông qua các giao thức định tuyến.
Chọn đường?
Hình 1.1. Định tuyến
Tầng mạng hỗ trợ chuyển gói từ đầu cuối tới đầu cuối cố gắng tối đa
(best-effort) qua các mạng được kết nối với nhau, sử dụng bảng định tuyến để
gửi các gói từ mạng nguồn đến mạng đích. Sau khi đã quyết định sử dụng đường
đi nào, router tiến hành việc chuyển gói. Nó lấy một gói nhận được ở giao diệ n
vào và chuyển tiếp gói này tới giao diện ra tương ứng (giao diện thể hiện đường
đi tốt nhất tới đích cho gói).
Mục tiêu cơ bản của các phương pháp định tuyến là nhằ m sử dụng tối đa
tài nguyên mạng, và tối thiểu hoá giá thành mạng. Để đạt được điều này kỹ thuật
định tuyến phải tối ưu được các tham số mạng và người sử dụng như: xác suất
tắc nghẽn, băng thông, độ trễ, độ tin cậy, giá thành,v.v... Vì vậy, một kỹ thuật
định tuyến phải thực hiện tốt hai chức năng chính sau đây:
Quyết định chọn đường theo những tiêu chuẩn tối ưu nào đó.
Cập nhật thông tin định tuyến
Tuỳ thuộc vào kiến trúc, hạ tầng cơ sở mạng mà các kỹ thuật định tuyến
- 4
khác nhau được áp dụng. Các tiêu chuẩn tối ưu khi chọn đường dẫn từ trạ m
nguồn tới trạ m đích có thể phụ thuộc vào yêu cầu người sử dụng dịch vụ mạng.
Giữa mạng và người sử dụng có thể có các thoả thuận ràng buộc về chất lượng
dịch vụ cung cấp hay một số yêu cầu khác, điều đó có thể dẫn tới khả năng chọ n
đường của mạng chỉ là cận tối ưu đối với một loại hình dịch vụ cụ thể, hoặc vớ i
một số nhóm người sử dụng dịch vụ cụ thể. Chức năng cập nhật thông tin định
tuyến là chức năng quan trọng nhất mà các giao thức định tuyến phải thừa hành,
các giải pháp cập nhật thông tin định tuyến đưa ra hiện nay tập trung vào giả i
quyết bài toán cân đối lưu lượng báo hiệu và định tuyến trên mạng với tính đầy
đủ và sự nhanh chóng của thông tin định tuyến.
Có nhiều cách để phân loại giao thức định tuyến, trong đó cách phân loại
phổ biến nhất là phân định tuyến thành định tuyến theo véc-tơ khoảng cách và
định tuyến theo trạng thái kết nối.
Định tuyến theo trạng thái kết nối: các nút mạng quảng bá thông tin định
tuyến tới tất cả các nút trong liên mạng. Tuy nhiên, mỗi router chỉ gửi một
phần bảng định tuyến (phần mô tả trạng thái kết nối của router) và xây
dựng một bức tranh về toàn bộ mạng trong bảng topo. Mỗi khi topo trạng
thái kết nối thay đổi, các router đầu tiên biết được sự thay đổi này sẽ gửi
một thông báo trạng thái kết nối LSA (Link State Advertisement) mới tớ i
các router khác hoặc tới một router chỉ định (nơi các router khác có thể sử
dụng để cập nhật). LSA này sẽ được tràn ngập (flooding) tới tất cả các
router trên liên mạng.
Định tuyến theo véc-tơ khoảng cách: là một thuật toán thích nghi nhằ m
tính toán con đường ngắn nhất giữa các cặp nút trong mạng, dựa trên
phương pháp tập trung được biết đến như là thuật toán Bellman-Ford. Các
nút mạng thực hiện quá trình trao đổi thông tin trên cơ sở của địa chỉ đích,
nút kế tiếp và con đường ngắn nhất tới đích.
Khi tính toán đường đi ngắ n nhất sử d ụng định tuyến t heo trạ ng thái kết
nố i và đ ịnh tuyến theo véc-tơ khoả ng cách, thông tin trạng thái c ủa mạ ng thể
hiệ n qua các số đo (Metric) thông qua giá (cost), các bộ định tuyế n phả i được
cập nhật giá trên tuyế n kết nố i. Khi có s ự thay đổ i topo mạ ng hoặc lưu lượ ng,
các nút mạ ng phả i khở i tạo và tính toán lạ i tuyến đườ ng đi ngắ n nhất, tuỳ
theo giao thức được sử dụng trong mạ ng.
Các bảng định tuyến chứa thông tin được sử dụng bởi phần mề m chuyển
mạch để chọn tuyến tốt nhất. Các thuật toán phức tạp có thể chọn tuyến dựa trên
- 5
nhiều metric bằng cách kết hợp chúng thành một metric phức hợp. Các metric
được sử dụng phổ biến gồm: chiều dài đường đi, độ tin cậy, độ trễ, băng thông,
tải và giá truyền thông. Chúng ta có thể so sánh định tuyến véc-tơ khoảng cách
với định tuyến trạng thái kết nối theo một số tiêu chí như trong Bảng 1.1:
Bảng 1.1. So sánh định tuyến trạng thái kết nối và véc-tơ khoảng cách.
Véc-tơ khoảng cách Trạng thái kết nối
Nhận thức về topo mạng từ các Có được cái nhìn toàn cảnh về liên
router kế cận. mạng.
Cộng vào véc-tơ khoảng cách từ Tính toán đường đi ngắn nhất tới tất cả
router này tới router khác. các router.
Cập nhật định kỳ, hội tụ chậ m. Cập nhật ngay khi thay đổi, hội tụ nhanh.
Chuyển bản sao của bảng định Chuyển cập nhật định tuyến trạng thái
tuyến tới các router kế cận. kết nối tới tất cả các router.
Định tuyế n véc-tơ khoả ng cách lấy dữ liệu topo từ t hông tin bả ng đ ịnh
tuyế n c ủa các router kế cận. Đ ịnh tuyế n trạng thái kết nố i có được một cái
nhìn toàn cả nh về topo của liên mạ ng bằ ng cách tích luỹ tất cả các LSA cần
thiết.
Định tuyến véc-tơ khoảng cách xác định đường đi tốt nhất bằng cách cộng
thêm vào giá trị metric mà nó nhận được khi thông tin định tuyến được gửi từ
router này tới router khác. Đối với định tuyến trạng thái kết nối, mỗi router làm
việc độc lập trong việc tính toán đường đi ngắn nhất tới các mạng đích.
Trong hầu hết các giao thức định tuyến véc-tơ khoảng cách, cập nhật định
tuyến về thay đổi topo mạng được gửi định kỳ. Các cập nhật được gửi từ router
này tới router khác, dẫn đến mạng hội tụ chậm. Với các giao thức định tuyến
trạng thái kết nối, cập nhật được gửi ngay khi topo mạng thay đổi. Các gói thông
báo trạng thái kết nối LSA có kích thước tương đối nhỏ được chuyển tới tất cả
các router, do đó thời gian hội tụ sẽ nhanh hơn khi topo mạng thay đổi.
1.1.2. Định tuyến dựa trên QoS
Định tuyến dựa trên QoS là cơ chế định tuyến theo đó đường đi cho các
luồng được xác định dựa trên một số hiểu biết về sự sẵn sàng của tài nguyên
- 6
trong mạng cũng như nhu cầu QoS của luồng [3]. Hay nói cách khác, đó là “ một
giao thức định tuyến động có mở rộng tiêu chí chọn đường của nó bao gồm các
tham số QoS như băng thông sẵn có, hiệu quả sử dụng đường đầu cuối và kết
nối, mức tiêu thụ tài nguyên nút, trễ và trượt, biến động trễ”. Nói một cách ngắn
gọn là định tuyến động có tính đến QoS.
Hình 1.2 là ví dụ đơn giản về định tuyến dựa trên QoS. Giả sử có luồng
lưu lượng từ nút A tới nút C yêu cầu băng thông 4Mbps, mặc dù đường A-B-C
ngắn hơn, nhưng nó sẽ không được chọn vì không có đủ băng thông. Thay vào
đó đường A-D-E-C được chọn.
Hình 1.2. Ví dụ về phương pháp định tuyến dựa trên QoS
Bên c ạnh đó, còn có hai khái niệm liên quan là đ ịnh tuyến dựa trên
c hính sách và đ ịnh tuyến ràng buộc. Mối quan hệ giữa ba kiểu định tuyến
được thể hiện trong hình 1.3.
Định tuyến ràng buộc
Định tuyến theo
Định tuyến theo QoS
chính sách
Hình 1.3. Mối quan hệ giữa ba kiểu định tuyến
- 7
Định tuyến dựa tr ên chính sách là quyết định định tuyến không dựa
trên hiểu biết về topo mạng và các số đo mà d ựa theo các chính sách quản
trị. Định tuyến theo chính sách th ường đ ược cấu hình t ĩnh.
Định tuyến ràng buộc là một quan niệm phát triển từ định tuyến dựa trên
QoS nhưng có ý nghĩa rộng hơn. Nó tính đường đi để thoả mãn một số ràng
buộc, bao gồm cả các ràng buộc về QoS (yêu cầu QoS và sự sẵn sàng của tài
nguyên) và các ràng buộc theo chính sách.
1.1.3. Mục đích của định tuyến dựa trên QoS
Các giao thức định tuyến Internet hiện nay được gọi là giao thức định
tuyến “cố gắng tối đa”. Các giao thức này chỉ sử dụng “đường ngắn nhất” tới
đích, chúng thường dùng các thuật toán tối ưu với mục tiêu đơn, theo đó chỉ xem
xét một số đo (băng thông, số chặng, giá). Như vậy, toàn bộ lưu lượng được
định tuyến vào “đường ngắn nhất”, ngay cả khi tồn tại đường cạnh tranh khác,
chúng không được sử dụng chừng nào chúng chưa trở thành đường ngắn nhất.
Điều này có thể dẫn tới tắc nghẽn của một vài kết nối, trong khi các kết nối khác
không được dùng hết.
Định tuyến “cố gắng tối đa” sẽ chuyển lưu lượng từ một đường tới đường
“tốt hơn” mỗi khi nó tìm được. Việc này xảy ra ngay cả khi đường đang dùng
đáp ứng được các yêu cầu dịch vụ của lưu lượng. Kiểu chuyển đổi này là không
mong muốn vì nó dẫn tới sự dao động định tuyến, lưu lượng sẽ bị định tuyế n
qua lại giữa các đường cạnh tranh. Thậm chí còn tồi tệ hơn vì kiểu dao động này
có thể làm tăng biến động trễ và trượt.
Định tuyến dựa trên QoS được cho là giải quyết hoặc tránh các vấn đề đã
nêu trên. Các mục tiêu chính của định tuyến dựa trên QoS là:
Thứ nhất, là để đáp ứng các yêu cầu QoS của người sử dụng. Định tuyế n
dựa trên QoS được giả thiết là để tìm một đường từ nguồn đến đích để
thoả mãn các yêu cầu của người sử dụng về băng thông, trễ đầu cuối, …
Ngoài ra, việc này phải được thực hiện trong chế độ động chứ không phả i
là cấu hình tĩnh. Trong trường hợp có một vài tuyến khả thi sẵn có, tuyến
được lựa chọn có thể là cơ sở cho một vài chính sách ràng buộc. Ví dụ:
chúng ta có thể chọn tuyến ít chi phí nhất hoặc theo nhà cung cấp dịch vụ
chỉ định.
- 8
Thứ hai, là để tối ưu hoá mức độ sử dụng tài nguyên mạng. Đây là mục
đích theo quan điểm của nhà cung cấp dịch vụ. Tất cả các nhà cung cấp
muốn khai thác tối đa khả năng mạng hiện thời của họ, nhờ thế đạt lợi
nhuận cao nhất. Bên cạnh đó, đây cũng là yêu cầu xuất phát từ góc độ kỹ
thuật xây dựng mạng. Định tuyến dựa trên QoS được trông đợi để quản lý
lưu lượng mạng một cách hiệu quả sao cho thông lượng qua mạng là lớn
nhất. Một lược đồ thông thường là luôn lựa chọn đường ngắn nhất trong
số các đường khả thi, vì đường dài hơn có nghĩa là sử dụng tài nguyên
mạng nhiều hơn.
Thứ ba, khi mà mạng ở tình trạng tải lớn, khả năng thực thi của mạng
giảm, giống như xảy ra tắc nghẽn, định tuyến dựa trên QoS được mong
đợi là sẽ cho chất lượng tốt hơn (ví dụ: thông lượng tốt hơn) so với định
tuyến cố gắng tối đa, (định tuyến cố gắng tối đa có thể làm giảm thực thi
mạng một cách đột ngột).
1.2. Các vấn đề cơ bản của định tuyến dựa trên QoS
Định tuyến dựa trên QoS thì khó thiết kế và thực thi hơn nhiều so với định
tuyến cố gắng tối đa. Trong hầu hết các trường hợp mục đích không phải là tìm giải
pháp tốt nhất, mà là tìm giải pháp với chi phí có thể chấp nhận được.
1.2.1. Metric và sự tính toán đường đi
Có hai vấn đề cơ bản của phương pháp định tuyến dựa trên QoS: Thứ
nhất, đo và thu thập thông tin trạng thái mạng như thế nào; Thứ hai, tính toán
các lộ trình dựa trên thông tin đã thu được như thế nào. Sự lựa chọn metric là rất
quan trọng theo nghĩa rằng: “các metric phải thể hiện các đặc tính mạng cơ bản
mà ta quan tâm”. Do đó các metric như băng thông sẵn có, trễ, biến động trễ, …
được sử dụng phổ biến; cũng như là các metric xác định kiểu bảo đảm QoS mà
mạng cung cấp. Không có phương pháp hỗ trợ yêu cầu QoS nào mà không thể
biểu diễn bởi tổ hợp nào đó của các metric hiện hữu.
Bên cạnh đó cần xem xét sự phức tạp trong tính toán, nghĩa là việc tính
toán đường đi dựa trên một metric hoặc tổ hợp các metric phải không quá phức
tạp. Tiếc rằng, định tuyến dựa trên QoS thường được thực hiện với nhiều ràng
buộc và việc tính toán đường dựa trên tổ hợp nhất định nào đó của các metric đã
được chứng minh là bài toán NP (No Polynomial) hoàn thiện. Rất nhiều thuật
toán được đề xuất để giải quyết vấn đề này. Một phương pháp chung nhất được
- 9
gọi là “lọc tuần tự”, nghĩa là “một tổ hợp của các metric được sắp xếp thứ tự
theo một dạng nào đó phản ánh tầm quan trọng của các metric khác nhau”. Các
đường đi dựa trên metric đầu tiên được tính toán trước tiên và tập con của chúng
được loại bỏ dựa trên metric thứ hai và cứ như thế cho đến khi một đường đơn
được tìm thấy. Đây là sự cân bằng giữa sự tối ưu hoá phẩm chất và sự đơn giản
trong tính toán.
Việc tính toán đường đi cũng liên quan chặt chẽ tới việc dành trước tài
nguyên, nghĩa là một khi đường thích hợp đã được chọn thì tài nguyên tương
ứng (băng thông, không gian đệm trong các bộ định tuyến, …) phải được dành
cho dòng lưu lượng, vì vậy không thể dành cho các dòng khác. Hậu quả là,
lượng tài nguyên sẵn có (như băng thông) sau khi dành trước phải được tính
toán lại và thông tin đó phải được phát tán tới các bộ định tuyến khác. Bằng
cách này tất cả các bộ định tuyến có thể tạo quyết định đúng đắn cho các luồng
khác nhau.
1.2.2. Lan truyền và duy trì thông tin
Một vấn đề quan trọng là thông tin đ ịnh tuyến thường được trao đổi
giữa các bộ định tuyến như thế nào. Đ ịnh tuyến dựa trên QoS cần trao đổi
nhiều thông tin hơn đ ịnh tuyến cố gắng tối đa. Thứ nhất, ngo ài thông tin đ ịnh
tuyến cần có giống như đ ịnh tuyến cố gắng tối đa, cần trao đổi cả những
thông tin QoS, ví dụ như băng thông s ẵn có. Thứ hai, các metric được sử dụng
trong đ ịnh tuyến dựa trên QoS có thể thay đổi rất nhanh (một lần nữa, băng
thông sẵn có là một ví dụ điển hình). Nếu như thông tin đ ịnh tuyến được trao
đổi mỗi khi có sự thay đổi giá trị metric, nó sẽ gây ra một tải trọng lớn cho
các kết nối mạng và các bộ định tuyến, tiêu thụ băng thông của mạng và các
nhịp CPU của các bộ định tuyến.
Một cách chung nhất là thiết lập một ngưỡng để phân biệt các thay đổi
đáng kể từ các thay đổi nhỏ. Thông tin chỉ đ ược trao đổi khi xảy ra một thay
đổi đáng kể. Là m như thế, có thể đem lại sự ổn định của các tuyến QoS.
Thêm nữa, đây là sự trả giá giữa hiệu quả và sự chính xác của thông tin định
tuyến. Một phương pháp khác là chỉ xem xét các tài nguyên sẵn có sau khi
dành trước thay cho các tài nguyên có thực. Lấy băng thông là ví d ụ. Giả sử
một đ ường kết nối trong mạng có băng thông 4 Mbps, trong đó băng thông
3Mbps đã được dành trước bởi một số đường nào đó. Vì vậy băng thông sẵn
có còn lại là 1Mbps. Trong điều kiện là không có một luồng mới nào dành lấy
- 10
băng thông sẵn có này và không có luồ ng nào trả lại băng thông hiện đang
giữ, thì băng thông sẵn có được coi là 1 Mbps. Nói cách khác, ta không xem
xét lượng băng thông được dành trước nhưng không được sử dụng, mặc dù
băng thông được dùng trong thực tế có thể thay đổi t heo thời gian (có thể là
1,5Mbps tại thời điểm này và 2,5Mbps tại thời điểm khác). Hai cách này có
thể được sử dụng cùng với nhau.
Một vấn đề liên quan là duy trì thông tin thu đ ược như thế nào. Nếu ta
giữ thông tin cho từng luồng trong các bộ định tuyến, t hì kích thước của bảng
định tuyến sẽ tăng lên rất nhanh. Có một gợi ý là chỉ giữ bảng định tuyến cho
lưu lượng cố gắng tối đa và tính toán các đường đi cho các luồng QoS theo
nhu cầu. Đây là sự hy sinh thời gian tính toán thay c ho không gian bộ nhớ.
Một phương pháp khác có thể là nhóm luồng. Thay cho việc ghi nhớ thông tin
về các luồng riêng rẽ ta có thể nhóm các luồng và chỉ duy tr ì thông tin về các
nhóm luồng, với số lượng rõ ràng ít hơn.
1.2.3. Mô hình thông tin trạng thái không chính xác
Một xu hướng trong thiết kế thuật toán định tuyến dựa trên QoS là ngày
càng có nhiều người tin rằng định tuyến QoS về bản chất là không chính xác.
“Không chính xác” có nghĩa rằng thông tin trạng thái dùng trong định tuyến là
không chính xác. Các nguồn gốc của sự không chính xác là:
Tính động của mạng: một vài tham số hay metric (cụ thể là băng thông sẵn
có và độ trễ) gắn với nút và kết nối của mạng thay đổi theo thời gian. Sẽ rất
khó (thậm chí là không thể) để gửi cho thông tin thật chính xác.
Nhóm thông tin định tuyến: như đã đề cập ở phần trước, nhóm định
tuyến là được khuyến khích để giảm sự định tuyến cập nhật tải và sự
định tuyến chứa tải, đặc biệt cho các mạng lớn. Tổng tin của nhóm
thường mang tính đại diện hoặc tính trung b ình.
Thông tin ẩn: đối với việc bảo mật hoặc một vài nguyên nhân khác,
một vài thông tin đ ịnh tuyến được ẩn đi và do đó không thể nhận ra.
Các tính toán gần đúng: không có giá tr ị nào của tham số hay metric
của mạng thực sự là chính xác. Đó chỉ là các giá trị gần đúng của các
giá trị thực, theo thời gian thực
- 11
1.2.4. Điều khiển của quản trị mạng
Có một số vấn đề điều khiển liên quan tới QoS.
Thứ nhất là vấn đề ưu tiên và chiếm đoạt: các luồng khác nhau trong
mạng có các yêu cầu QoS khác nhau, vì thế có mức ưu tiên khác nhau.
Các luồng quan trọng có thể được gán mức ưu tiên cao hơn các luồng
khác. Khi tài nguyên (ví d ụ như băng thông) không có đ ủ, các luồng
này có thể chiếm tài nguyên từ các luồng có mức ưu tiên thấp hơn. Ví
dụ luồng thoại hoặc video (với yêu cầu nghiêm ngặt về trễ và băng
thông) có thể được gán mức ưu tiên cao hơn và được phép chiếm băng
thông hoặc bộ đệm của các luồng FTP ( File Transfer Protocol - Giao
thức truyền tệp).
Thứ hai là vấn đề kiểm soát tài nguyên: Trong khung cảnh mạng có
nhiều lớp dịch vụ lưu lượng, tài nguyên phải được phân phối công bằng
giữa các dịch vụ. Như vậy sự thiếu hụt t ài nguyên c ủa các lớp dịch vụ
ưu tiên thấp có thể tránh được. Việc bố trí tài nguyên này có thể đ ược
thực hiện ở dạng động. Định tuyến dựa tr ên QoS cần bao hàm các sơ đồ
điều khiển như trên.
1.2.5. Vấn đề thuật toán trong định tuyến dựa trên QoS.
Về cơ bản có thể chia các thuật toán định tuyến dựa trên QoS thành ba
loại: định tuyến chặng tới chặng (còn gọi là định tuyến phân tán), định tuyến
nguồn và định tuyến phân cấp. Chúng được chia theo cách duy trì thông tin
trạng thái và tìm đường thích hợp để truyền như thế nào.
Định tuyến nguồn: Mỗi bộ định tuyến đều chứa thông tin trạng thái mạng
toàn cục và đường được chọn một cách cục bộ dựa trên thông tin trạng
thái này. Sau khi đường được xác định, bộ định tuyến nguồn thông báo
cách đưa các lưu lượng tải như thế nào cho các bộ định tuyến khác theo
đường đó. Sau đó luồng sẽ được định tuyến đến đích phù hợp. Định tuyến
nguồn là đơn giản theo nghĩa rằng chỉ bị quyết định bởi nguồn. Các bộ
định tuyến khác theo đường truyền chỉ cần theo đường xác định trước đó
và nó sẽ không gây ra sự định tuyến lòng vòng. Tuy nhiên, nó cũng có
những nhược điể m.
o Thứ nhất, yêu cầu mỗi bộ định tuyến chứa thông tin trạng thái
mạng hoàn chỉnh, mà điều này là khó duy trì, đặc biệt đối với mạng
- 12
lớn, gây ra nhiều cập nhật thông tin trạng thái, do đó đưa nhiều lưu
lượng tải tới mạng.
o Thứ hai, nếu tổng hợp những cập nhật thông tin trạng thái để làm
giả m sự quá tải lưu lượng, thì độ chính xác của thông tin có thể bị
giả m đi. Do vậy, có thể không tìm được một đường thích hợp hiện
tại.
o Thứ ba, mặc dù các bộ định tuyến khác có thể dễ dàng định hướng
lưu lượng, nhưng việc tính toán tải tại các bộ định tuyến nguồn là
rất lớn. Tóm lại, thuật toán định tuyến nguồn có vấn đề co giãn, do
vậy không tốt cho các mạng lớn.
Định tuyến phân tán: Trong định tuyến phân tán, mỗi bộ định tuyến chỉ
biết các chặng kế tiếp tới nguồn đích. Do đó khi một gói truyền tới, bộ định
tuyến chỉ chuyển nó tới bộ định tuyến chặng tiếp theo. Theo từng bước như
vậy, gói được đưa đến đích. Phần lớn các giao thức mạng Internet (như
RIP) đều dùng thuật toán này. Định tuyến phân tán được sử dụng cho hầ u
hết các giao thức định tuyến “cố gắng tối đa”. Do vậy, dễ dàng để thiết kế
và phù hợp hơn với các giao thức định tuyến hiện thời. Việc tính toán tải
định tuyến được góp bởi tất cả các bộ định tuyến trên đường, từ nút nguồn
tới nút đích. Tuy nhiên, tồn tại vấn đề định tuyến lòng vòng khi thông tin
trạng thái định tuyến trong các bộ định tuyến khác nhau là không phù hợp.
Bên cạnh đó cũng có vấn đề co giãn.
Định tuyến phân cấp: Định tuyến phân cấp là phù hợp nhất cho mạng
lớn. Cấu trúc của định tuyến bao gồm nhiều cấp. Cấp trung tâm bao gồ m
các bộ định tuyến hiện thời. Những bộ định tuyến này được tổ chức
thành các nhóm cục bộ, mà hình thành nên cấp tiếp theo. Mỗi nhóm là
các nút cục bộ trong cấp kế tiếp. Các nhóm có thể được tổ chức lớn hơn
trong các nhóm cấp cao hơn. Quá trình xử lý này có thể đệ quy
(recursively), do đó mỗi cấp không có quá nhiều nút (các bộ định tuyến).
Thông tin định tuyến được tích hợp tại các nút tiếp giáp với mỗi nhóm.
Mỗi nút bao gồm thông tin chi tiết về nhóm của nó và thông tin được
tích hợp về các nhóm khác. PNNI và QOSPF là ví dụ tiêu biểu cho định
tuyến phân cấp. Như thấy trong hình 1.4: A1, A2, A3 tạo thành một nhóm
cục bộ, được tương ứng bằng nút cục bộ A. Tượng tự: B1, B2, B3 tạo
thành một nhóm; C1 và C2 tạo thành một nhóm khác, tương ứng với các
nguon tai.lieu . vn
