Tải bản đầy đủ

Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGUYỄN TƯ KHOA

CÁC KỸ THUẬT ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
TRONG MẠNG IP
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01
Lớp Cao học K6

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN GIA HIỂU

Thái Nguyên - 2009


2
MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ............................................................................................................6

ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................................................9
CHƯƠNG I:..............................................................................................................................10
CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG...........................................10
Nhập đề:................................................................................................................................10
1.1 Khái niệm về chất lượng dịch vụ....................................................................................11
1.2 Các thông số QoS...........................................................................................................12
1.2.1 Băng thông...............................................................................................................13
1.2.2 Trễ............................................................................................................................13
1.2.3 Jitter (Biến động trễ)................................................................................................14
1.2.4 Mất gói.....................................................................................................................15
1.2.5 Tính sẵn sàng (Độ tin cậy).......................................................................................16
1.2.6 Bảo mật....................................................................................................................16
1.3 Yêu cầu QoS đối với các dịch vụ khác nhau..................................................................17
1.4 Một số kỹ thuật hỗ trợ chất lượng dịch vụ......................................................................29
Kết luận chương....................................................................................................................31


3
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ARED

Adapted Random Early Detection

Tìm kiếm sớm ngẫu nhiên thích
ứng

ARP

Address Resolution Protocol

Giao thức phân giai địa chỉ

ARPA

Advance Research Projects Agency

Trung tâm nghiên cứu cấp cao

ATM


Assyschronous Tranfer Mode

Chế độ truyền bất đồng bộ

AF

Assured Forwarding

Chuyển tiếp đảm bảo

BB

Bandwidth Brokering

Thu hồi băng thông

BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức định tuyến ngòai

CBQ

Class Base Queuing

Hàng đợi cơ sở lớp

CBR

Contant Bitrate Rate

tốc độ bit cố định

CL

Controlled Load

Tải điều khiển

CPU

Center Processor Unit

Khối xử lí trung tâm

CQS

Classify Queue Shedule

Lập lịch hàng đợi phân loại

CAC

Call Adminission Contron

Điều khiến xác nhận cuộc gọi

CE

Congestion Experience

Nghẽn trải qua

DFF

Drop from Front

Loại bỏ phía trước

DiffServ Differentiated Service

Dịch vụ khác biệt

DNS

Domain Name System

Hệ thống tên miền

DOD

Deparment of Defense

thuộc bộ quốc phòng Mĩ

DRR

Deficit Round Robin

DSCP

Difserv Code-Point

Điểm mã dịch vụ khác biệt

ECN

Explicit congestion notification

Thông báo nghẽn cụ thể

EF

Expedited Forwarding

Chuyển tiếp ngay

FBI

Forwarding information base

Khối chuyển tiếp

FIFO

First in first out

Hàng đợi theo nguyên tắc vào trước
ra trước

FRED

Flow Random Early Detection

Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm theo
luồng

FTP

File Transfer Protocol

Giao thức truyền file

GS

Guaranteed Service

Dịch vụ đảm bảo vụ

HL

Header length

Độ dài tiêu đề

ICMP

Internet Control Message Protocol

Giao thức tín hiệu điều khiển


4
Internet
IHL

Identifed Header Length

Trường xác nhận độ dài tiêu đề

Intserv

Intergrated Service

Dịch vụ tích hợp

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

LSP

Label-switching Paths

Đường dẫn chuyển mạch nhãn

MF

Multi field

Đa trường

MPLS

Multi protocol lable Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MTU

Maximum Transfer Unit

Đơn vị truyền tối đa

NGN

Next Generation Network

Mạng thế hệ kế tiếp

OSI

Open Systems Interconection

Mô hình tham chiếu “liên kết hệ
thống mở”

OSPF

Open Sortest Path First

Đường dẫn đầu tiên ngắn nhất mở

PHB

Per-Hop Behavior

Cư sử từng chặng

PNNI

Private network Node Interface

Giao diện node mạng riêng

PQ

Priority Queue

Hàng đợi ưu tiên

QoS

Quality of service

Chất lượng dịch vụ

RAP

Resource Allocation Protocol

Giao thức phân phát tài nguyên

RARP

Reverse Address Resolution
Protocol

Giao thức phân giải địa chỉ ngược

RED

Random Early Detection

Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm

RIO

RED With IN/ OUT

Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm theo vào
ra

RSVP

Resource Reservation Protocol

Giao thức dành trước tài nguyên

SDH

Synchronous Digital Hiearachy

Phân cấp số đồng bộ

SLA

Service level agreement

Thỏa thuận mức dịch vụ

SMTP

Simple Mail Transfer Protocol

Giao thức truyền thư điện tử đơn
giản

TCP

Tranmission Control Protocol

Gíao thức điều khiển truyền dẫn

Telnet

Terminal NETwork

Mạng đầu cuối

TL

Total length

Độ dài tổng

TOS

Type Of Service

Loại dịch vụ

TTL

Time-to-live

Thời gian sống

UDP

User Datagram protocol

Giao thức người sử dụng

VCI

Virtual circuit Identify

Nhận biết kênh ảo

VPI

Virtual Path Identify

Nhận biết đường ảo


5
VPN

IP virtual private Network

IP virtual private Network

WRED

Weight Random Early Detection

Tìm kiếm ngẫu nhiên sớm theo
trọng số

WRED

Weighted Random Early Detection

Tìm kiếm sớm ngẫu nhiên theo
trọng số


6

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình

Nội dung

Hình 1.1

Băng thông, trễ

Hình 1.2

FTP truyền file giữa các hệ thống

Hình 1.3

Phân loại các kỹ thuật sửa đổi dữ liệu phía người gửi

Hình 1.4

Sửa đổi dữ liệu sử dụng FEC

Hình 1.5

Sửa chữa sử dụng FEC phụ thuộc môi trường

Hình 1.6

Các khối được đan xen trong nhiều gói

Hình 1.7

Phân loại các kỹ thuật che dấu lỗi

Hình 2.1

Khoản thời gian đo CBS và CIR

Hình 2.2(a)

Gáo C và gáo E ở chế độ mù mầu

Hình 2.2(b)

srTCM ở chế độ mù mầu

Hình 2.3

srTCM ở chế độ rõ mầu

Hình 2.4(a)

Gáo rò C và P trong trTCM

Hình 2.4(b)

trTCM ở chế độ mù mầu

Hình 2.5

Chế độ rõ mầu với trTCM

Hình 2.6

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của RED

Hình 2.7

Hồ sơ RED

Hình 2.8

Khái niệm ECN

Hình 2.9

Biểu đồ khái niệm của lập lịch gói

Hình 2.10

FIFO

Hình 2.11

Hàng đợi ưu tiên PQ

Hình 2.12

Ảnh hưởng của kích thước gói với phân bổ băng thông

Hình 2.13

WRR

Hình 2.14

Vòng quay Robin trọng số theo từng bit

Hình 2.15

WFQ

Hình 2.16

CB WFQ

Hình 2.17

Bộ định dạng lưu lượng thường

Hình 2.18

Gáo rò token traffic shaper

Hình 3.1

Hoạt động của RSVP

Hình 3.2

Các kiểu dàng riêng RSVP

Hình 3.3

Các ống chia sẻ được dành riêng

Hình 3.4

Ví dụ 1 về RSVP trong IntServ


7
Hình 3.5

Ví dụ 2 về RSVP trong IntServ

Hình 3.6

Ví dụ về RSVP Style

Hình 3.7

Dành riêng Wildcard filter

Hình 3.8

Dành riêng Fixed filter

Hình 3.9

Dành riêng Shared-explicit

Hình 3.10

Các bước của DiffServ

Hình 3.11

Miền IP

Hình 3.12

Một miền DS và các mạng con

Hình 3.13

Miền DiffServ

Hình 3.14

Vùng DS

Hình 3.15

IPv4 Header 24 byte

Hình 3.16

Các trường TOS trong Ipv4 header

Hình 3.17

IPv6 Header 48 byte

Hình 3.18

Trường DS

Hình 3.19

Ví dụ về cài đặt EF

Hình 3.20

Một ví dụ cài đặt AF

Hình 3.21

Ví dụ về DiffServ

Hình 4.1

Các giao tiếp ATM

Hình 4.2

Xếp chồng giao thức ATM

Hình 4.3

Cấu trúc tế bào ATM

Hình 4.4

Tế bào ATM cắt và lắp ghép

Hình 4.5

Kết nối kênh ảo

Hình 4.6

Biên dịch VPI/VCI

Hình 4.7

Liên kết đường ảo (VPL)

Hình 4.8

Quan hệ giữa VCL và VPL

Hình 4.9

Kết nối đường ảo (VPC)

Hình 4.10

Kết nối kênh ảo (VCC) trong một VPL

Hình 4.11

VCC được tạo từ các VCL của các VPL khác nhau

Hình 4.12

SVCC

Hình 5.1

Chức năng định tuyến IP chuẩn

Hình 5.2

Kiến trúc của MPLS

Hình 5.3

Đầu mào MPLS

Hình 5.4

Xếp chồng nhãn độ sâu m

Hình 5.5

MPLS LSP sử dụng ATM SVC


8
Hình 5.6

MPLS LSP sử dụng ATM SVP

Hình 5.7

MPLS LSP sử dụng ATM SVP mã hóa đa điểm

Hình 5.8

Ánh xạ nhãn vào

Hình 5.9

Ánh xạ FTN

Hình 5.10

Trao đổi nhãn

Hình 5.11

Đẩy nhãn

Hình 5.12

Một ví dụ về LSP phân cấp

Hình 5.13

Ánh xạ giữa DiffServ PBH với các bit MPLS EXP

Hình 5.14

E-LSP

Hình 5.15

L-LSP


9
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong xu hướng phát triển bùng nổ thông tin ngày này, các nhu cầu về thông tin
liên lạc ngày càng mở rộng. Nó đi đôi với nhu cầu đòi hỏi cao về chất lượng dịch vụ.
Đối với nhà khai thác mạng nâng cao chất lượng dịch vụ đồng nghĩa với khả năng tăng
khả năng cạnh tranh. Đó là điều tất yếu mà một nhà khai thác phải làm tốt để tồn tại.
Việt Nam được đánh giá là một quốc gia có nhu cầu về thông tin lớn. Hệ thống
viễn thông mạng Việt Nam rất đa rạng, phong phú, trong đó công nghệ mạng trên nền
chuyển mạch gói là rất phổ biến. Song song với việc cung cấp nhiều loại hình dịch vụ
mục tiêu nâng cao chất lượng dịch vụ đang là một vấn đề trọng tâm của các nhà cung
cấp đặt ra.
Mạng hiện thời đang tồn tại ở Việt Nam so với một số nước trong khu vực còn
chưa thật sự ổn định, vẫn còn nhiều hiện tượng nghẽn mạng hay tốc độ truy cập mạng
còn thấp. Ngoài biên pháp cải thiện băng thông (rất tốn kém), chưa thể đáp ứng ngay
thì chúng ta cần phải cải thiện chất lượng dịch vụ theo một số hướng khác. Bản luận
văn này tìm hiểu về QoS trong mạng IP và một số giải pháp nâng cao QoS phổ biến
đang được áp dụng.
Được sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Gia
Hiểu, bản luận văn với đề tài “Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng
IP” đã đề cập đến những vấn đề cơ bản về chất lượng dịch vụ trong mạng IP. Sau một
thời gian tìm hiểu và nghiên cứu bản luận văn đã hoàn thành với những nội dung chính
sau đây:
Chương 1: Chất lượng dịch vụ trong mạng Viễn thông.
Chương 2: Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP.
Chương 3: Chất lượng dịch vụ trong mạng IP.
Chương 4: Chất lượng dịch vụ trong mạng ATM.
Chương 5: QOS trong giao thức chuyển mạch nhãn MPLS.


10
CHƯƠNG I:
CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG
Nhập đề:
Trong những năm gần đây, tầm quan trọng của các công nghệ về chất lượng dịch vụ
(QoS) đối với các mạng truyền thông đã tăng lên đáng kể, đặc biệt là trong các mạng chuyển
mạch gói. Trước đây, các mạng ra đời với một mục đích là chuyền tải một loại thông tin

nhất định. Mạng điện thoại đã ra đời dựa trên một phát minh của Bell vài trăm năm
trước đây, đã được thiết kế để truyền tải âm thanh. Còn mạng IP thì khác, nó ra đời với
mục đích truyền tải dữ liệu.
Đối với mạng điện thoại, khi thiết lập một cuộc gọi mạng sẽ phải dành riêng
một kênh kết nối trong suốt quá trình hội thoại. Khi cuộc gọi kết thúc, các kênh này sẽ
được tiếp tục sử dụng cho một cuộc gói khác. Có thể đưa ra hai phép đo chính đối với
chất lượng dịch vụ trong mạng điện thoại, thứ nhất là tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành
công và thứ hai là chất lượng các cuộc gọi, những vấn đề này sẽ chịu ảnh hưởng bởi
dung lượng truyền dẫn trung kế của mạng và các vấn đề như lỗi đường truyền hay
nhiễn mạch.
Với đặc tính như vậy, mạng điện thoại đã được thiết kế với hai vấn đề chính,
thứ nhất là làm sao để cung cấp đủ các mạch trung kế phục vụ cho nhiều cuộc gọi
đồng thời qua đó năng cao tỷ lệ kết nối thành công. Thứ hai là phải tối ưu mạng để
giảm tối đa những vấn đề như suy hao, nhiễu, vọng và trễ. Thoại là một loại dịch vụ
thời gian thực và nó không cần hàng đợi để lưu trữ tín hiệu âm thanh.
Mạng IP ra đời có rất nhiều điểm khác so với mạng điện thoại. Thứ nhất mạng
IP được thiết kế để truyền tải dữ liệu. Thứ hai các dịch vụ truyền dữ liệu đa phần là các
dịch vụ không thời gian thực, dữ liệu có thể được lưu lại trong mạng và truyền đi sau,
khi dữ liệu truyền đi bị lỗi nó có thể được truyền lại. Các dịch vụ truyền dữ liệu còn
được gọi là dịch vụ “lưu và chuyển tiếp”. Mô hình hoạt động của mạng IP như vậy sẽ
được gọi là best-effort.
Việc thiết kế các mạng khác nhau sẽ tạo ra những vấn đề như kinh phí đầu tư hạ
tầng sẽ lớn, khi kết nối các mạng với nhau sẽ trở nên phức tạp. Vào giữa những năm
90 các nhà thiết kế mạng đã đưa ra một ý tưởng là tạo ra một mạng duy nhất dựa trên
chuyển mạch gói để truyền tải cả âm thanh và dữ liệu. Và mạng này thường được gọi
mà mạng thế hệ mới Next-Generation-Network. Mạng này được thiết kế chủ yế dựa
trên nền mạng IP, nhưng những nhược điểm của mô hình best-effort của mạng IP
không phù hợp với các loại dịch vụ âm thanh, hình ảnh, đa phương tiện cần thời gian
thực. Để khắc phục những hạn chế này, các mô hình chất lượng dịch vụ trong mạng IP
đã phát triển và đóng một vai trò then chốt trong vấn đề phát triển mở rộng của mạng
cũng như khả năng cung cấp các loại dịch vụ khác nhau trên cùng một hạ tầng mạng.


11
Những nghiên cứu dưới đây sẽ đi vào những vấn đề mà mạng IP cần quan tâm
đề đảm bảo chất lượng dịch vụ.

1.1 Khái niệm về chất lượng dịch vụ
Chất lượng dịch vụ là một vấn đề rất khó cho sự định nghĩa chính xác, bởi vì
nhìn từ góc độ khác nhau ta có quan điểm về chất lượng dịch vụ khác nhau. Ví dụ như
với người sử dụng dịch vụ thoại chất lượng dịch vụ cung cấp tốt khi thoại được rõ
ràng, tức là chúng ta phải đảm bảo tốt về giá trị tham số trễ, biến động trễ. Nhưng giá
trị tham số mất gói thông tin về một tỉ lệ tổn thất nào đó có thể chấp nhận được.
Nhưng giả dụ, đối với khách hàng là người sử dụng trong truyền số liệu ở ngân hàng
thì điều tối quan trọng là độ tin cậy, họ có thể chấp nhận trễ lớn, độ biến động trễ lớn,
nhưng thông số mất gói, độ bảo mật kém thì họ không thể chấp nhận được .v.v..
Từ góc nhìn của nhà cung cấp dịch vụ mạng. Nhà cung cấp dịch vụ mạng đảm
bảo QoS cung cấp cho người sử dụng, và thực hiện các biện pháp để duy trì mức QoS
khi điều kiện mạng bị thay đổi vì các nguyên nhân như nghẽn, hỏng hóc thiết bị hay
lỗi liên kết, v..v. QoS cần được cung cấp cho mỗi ứng.
Chất lượng dịch vụ chỉ có thể được xác định bởi người sử dụng, vì chỉ 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. Để giải quyết vấn đề đó nhà cung cấp và khách hàng họ lập
ra một bản cam kết, trong đó nhà cung cấp phải thực hiện đầy đủ cung cấp các thông
số thoả mãn chi tiết bản cam kết đặt ra. Còn phía đối tác cũng phải thực hiện đầy đủ
điều khoản của mình.
Nếu một mạng được tối ưu hoàn toàn cho một loại dịch vụ, thì người sử dụng ít
phải xác định chi tiết các thông số QoS. Ví dụ, với mạng PSTN, được tối ưu cho thoại,
không cần phải xác định băng thông hay trễ cần cho một cuộc gọi. Tất cả các cuộc gọi
đều được đảm bảo QoS như đã được quy định trong các chuẩn liên quan cho điện thoại.
Nếu nhìn từ góc độ mạng thì bất cứ một mạng nào cũng bao gồm:
- Hosts (chẳng hạn như: Servers, PC…).
- Các bộ định tuyến và các thiết bị chuyển mạch.
- Đường truyền dẫn.
Nếu nhìn từ khía cạnh thương mại:
- Băng thông, độ trễ, jitter, mất gói, tính sẵn sàng và bảo mật đều được coi là tài
nguyên của mạng. Do đó với người dùng cụ thể phải được đảm bảo sử dụng các
tài nguyên một cách nhiều nhất.
- QoS là một cách quản lý tài nguyên tiên tiến của mạng để đảm bảo có một chính


12
sách ứng dụng đảm bảo.
Vậy sự định nghĩa chính xác QoS là rất khó khăn nhưng ta có thể hiểu chúng gần
như là khả năng cung cấp dịch vụ (ở lớp phần tử mạng, vvv...) đưa ra cho khách hàng
thông qua những yêu cầu chính xác (trên khả năng thực tế hay lý thuyết) có thể đáp
ứng dựa trên bản hợp đồng về thoả thuận lưu lượng. Sự định nghĩa khuôn dạng của nó
kết thành chất lượng dịch vụ của lớp mạng do sự phân phát chất lượng dịch vụ của
peer-to-peer (ngang hàng) edge-to-edge (biên tới biên) hay end-to-end (đầu cuối tới
đầu cuối). Lẽ tự nhiên những yêu cầu này có thể thay đổi từ phía ứng dụng cho ứng
dụng hay từ phân phối dịch vụ.
Vậy trong tất cả những điều đã nêu về cấp QoS, đảm bảo chất lượng và Service
Level Agreement SLA thỏa thuận mức độ dịch vụ, để thoả mãn ta phải làm như thế
nào? Vấn đề là bản chất định hướng IP là một mạng nỗ lực tối đa do đó “không tin
cậy" khi yêu cầu nó đảm bảo về QoS. Cách tiếp cận gần nhất để các nhà cung cấp
dịch vụ IP có thể đạt tới đảm bảo QoS hay SLA giữa khách hàng và ISP là với dịch vụ
mạng IP được quản lý. Thuật ngữ được quản lý ở đây là bất cứ cái gì mà nhà cung cấp
dịch vụ quản lý thay mặt cho khách hàng , điều đó cũng làm nâng cao được chất lượng
dịch vụ.

1.2 Các thông số QoS
Phần này sẽ giới thiệu qua về các thông số của QoS. Sáu thông số chung về
chất lượng dịch vụ:
- Băng thông.
- Độ trễ (delay).
- Jitter (biến động trễ).
- Mất gói.
- Tính sẵn sàng (tin cậy).
- Bảo mật.
Các giá trị ví dụ, được liệt kê trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1: Sáu thông số của QoS
Thông số QoS

Các giá trị ví dụ

Băng thông (nhỏ nhất)

64 kb/s, 1.5 Mb/s, 45 Mb/s

Trễ (lớn nhất)

50 ms trễ vòng, 150 ms trễ vòng

Jitter (biến động trễ)

10% của trễ lớn nhất, 5 ms biến động

Mất thông tin (ảnh hưởng của lỗi)

1 trong 1000 gói chưa chuyển giao

Tính sẵn sàng (tin cậy)

99.99%

Bảo mật

Mã hoá và nhận thực trên tất cả các luồng


13
Thông số QoS

Các giá trị ví dụ
lưu lượng

1.2.1 Băng thông
Băng thông là một thông số quan trọng nhất, nếu chúng ta có băng thông dùng
rộng rãi thì mọi vấn đề coi như không cần phải quan tâm đến, như nghẽn, kỹ thuật lập
lịch, phân loại, trễ….tuy nhiên điều này là không thể xẩy ra.
Băng thông chỉ đơn giản là thước đo số lượng bit trên giây mà mạng sẵn sàng
cung cấp cho các ứng dụng. Các ứng dụng bùng nổ (bursty) trên mạng chuyển mạch
gói có thể chiếm tất cả băng thông của mạng nếu không có ứng dụng nào khác cùng
bùng nổ với nó. Khi điều này xảy ra, các bùng nổ phải được đệm lại và xếp hàng chờ
truyền đi, do đó tạo ra trễ trên mạng. Để giải quyết sự hạn chế băng thông này mà
nhiều giải pháp tiết kiệm, hay khắc phục băng thông được đưa ra.
Khi được sử dụng như là một thông số QoS, băng thông là yếu tố tối thiểu mà
một ứng dụng cần để hoạt động. Ví dụ, thoại PCM 64 kb/s cần băng thông là 64 kb/s.
Điều này không tạo ra khác biệt khi mạng xương sống có kết nối 45 Mb/s giữa các nút
mạng lớn. Băng thông cần thiết được xác định bởi băng thông nhỏ nhất sẵn có trên
mạng. Nếu truy nhập mạng thông qua một MODEM V.34 hỗ trợ chỉ 33.6 kb/s, thì mạng
xương sống 45 Mb/s sẽ làm cho ứng dụng thoại 64 kb/s không hoạt động được. Băng
thông QoS nhỏ nhất phải sẵn sàng tại tất cả các điểm giữa các người sử dụng. Các ứng
dụng dữ liệu được lợi nhất từ việc đạt được băng thông cao hơn. Điều này được gọi là
các “ứng dụng giới hạn băng thông”, bởi vì hiệu quả của ứng dụng dữ liệu trực tiếp liên
quan tới lượng nhỏ nhất của băng thông sẵn sàng trên mạng. Mặt khác, các ứng dụng
thoại như thoại PCM 64 kb/s được gọi là các “ứng dụng giới hạn trễ”. Thoại PCM 64
kb/s này sẽ không hoạt động tốt hơn chút nào nếu có băng thông 128 kb/s. Loại thoại
này phụ thuộc hoàn toàn vào thông số QoS trễ của mạng để có thể hoạt động đúng đắn.
1.2.2 Trễ
Trễ liên quan chặt chẽ với băng thông khi nó là một thông số QoS. Với các ứng
dụng giới hạn băng thông thì băng thông càng lớn trễ sẽ càng nhỏ. Đối với các ứng dụng
giới hạn trễ, như là thoại PCM 64 kb/s, thông số QoS trễ xác định trễ lớn nhất các bit
gặp phải khi truyền qua mạng. Tất nhiên là các bit có thể đến với độ trễ nhỏ hơn.
Trễ được định nghĩa là khoảng thời gian chênh lệch giữa hai thời điểm của cùng
một bít khi đi vào mạng (thời điểm bít đầu tiên vào với bít đầu tiên ra) .
Với băng thông có nhiều cách tính, giá trị băng thông có thể thường xuyên thay
đổi. Nhưng thông thường giá trị băng thông được định nghĩa là số bit của một khung
chia cho thời gian trôi qua kể từ khi bit đầu tiên rời khỏi mạng cho đến khi bit cuối
cùng rời mạng.


14

Hình 1.1 (a) băng thông , (b) trễ
Mối quan hệ giữa băng thông và trễ trong mạng được chỉ ra trong hình 2.1.
Trong phần (b), t2 – t1 = số giây trễ. Trong phần (a), X bit/ (t3 - t2) = bit/s băng thông.
Nhiều băng thông hơn có nghĩa là nhiều bit đến hơn trong một đơn vị thời gian, trễ
tổng thể nhỏ hơn. Đơn vị của mỗi thông số, bit/s với băng thông hay giây với trễ, cho
thấy mối quan hệ hiển nhiên giữa băng thông và trễ.
Các mạng chuyển mạch gói cung cấp cho các ứng dụng các băng thông biến đổi
phụ thuộc vào hoạt động và bùng nổ của ứng dụng. Băng thông biến đổi này có nghĩa
là trễ cũng có thể biến đổi trên mạng. Các nút mạng được nhóm với nhau cũng có thể
đóng góp vào sự biến đổi của trễ. Tuy nhiên, thông số QoS trễ chỉ xác định trễ lớn nhất
và không quan tâm tới bất kỳ giới hạn nhỏ hơn nào cho trễ của mạng. Nếu cần trễ ổn
định, một thông số QoS khác phải quan tâm đến yêu cầu này.
Một số nguyên nhân gây ra trễ trong mạng IP:
 Trễ do quá trình truyền trên mạng.
 Trễ do xử lý gói trên đường truyền.
 Trễ do xử lý hiện tượng jitter.
 Trễ do việc xử lý sắp xếp lại gói đến (xử lý tại đích).
1.2.3 Jitter (Biến động trễ)
Biến động trễ là sự khác biệt về độ trễ của các gói khác nhau trong cùng một
dòng lưu lượng. Biến động trễ có tần số cao được gọi là jitter với tần số thấp gọi là
eander. Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng jitter do sự sai khác trong thời gian
xếp hàng của các gói liên tiếp nhau trong một hàng gây ra.Trong mạng IP jitter ảnh
hưởng rất lớn tới chất lượng dịch vụ của tất cả các dịch vụ. Thông số QoS jitter thiết
lập giới hạn lên giá trị biến đổi của trễ mà một ứng dụng có thể gặp trên mạng. Jitter
không đặt một giới hạn nào cho giá trị tuyệt đối của trễ, nó có thể thể tương đối thấp
hoặc cao phụ thuộc vào giá trị của thông số trễ.
Jitter theo lý thuyết có thể là một giá trị thông số QoS mạng tương đối hay tuyệt
đối. Ví dụ, nếu trễ mạng cho một ứng dụng được thiết lập là 100 ms, jitter có thể đặt
là cộng hay trừ 10 phần trăm của giá trị này. Theo đó, nếu mạng có trễ trong khoảng
90 đến 110 ms thì vẫn đạt được yêu cầu về jitter (trong trường hợp này, rõ ràng là trễ


15
không phải là lớn nhất). Nếu trễ là 200 ms, thì 10 phần trăm giá trị jitter sẽ cho phép
bất kỳ trễ nào trong khoảng 180 đến 220 ms. Mặt khác, jitter tuyệt đối giới hạn cộng
trừ 5 ms sẽ giới hạn jitter trong các ví dụ trên trong khoảng từ 95 tới 105 ms và từ
195 tới 205 ms.
Các ứng dụng nhạy cảm nhất đối với giới hạn của jitter là các ứng dụng thời gian
thực như thoại hay video. Nhưng đối với các trang Web hay với truyền tập tin qua
mạng thì lại ít quan tâm hơn đến jitter. Internet, là gốc của mạng dữ liệu, có ít khuyến
nghị về jitter. Các biến đổi của trễ tiếp tục là vấn đề gây bực mình nhất gặp phải đối
với các ứng dụng video và thoại dựa trên Internet.
1.2.4 Mất gói
Mất thông tin là một thông số QoS không được đề cập thường xuyên như là băng
thông và trễ, đặc biệt đối với mạng Internet. Đó bởi vì bản chất tự nhiên được thừa nhận
của mạng Internet là "cố gắng tối đa". Nếu các gói IP không đến được đích thì Internet
không hề bị đổ lỗi vì đã làm mất chúng. Điều này không có nghĩa là ứng dụng sẽ tất yếu
bị lỗi, bởi vì đối với những dịch vụ khác nhau đều đặt ra giá trị ngưỡng của riêng mình.
Nếu các thông tin bị mất vẫn cần thiết đối với ứng dụng thì nó sẽ yêu cầu bên gửi gửi lại
bản sao của thông tin bị mất. Bản thân mạng không quan tâm giúp đỡ vấn đề này, bởi vì
bản sao của thông tin bị mất không được lưu lại tại bất cứ nút nào của mạng.
Thực ra Internet là mạng của các mạng và không có cơ chế giám sát đầy đủ nào
đảm bảo chất lượng thông tin truyền. Hiện tượng mất gói tin là kết quả của rất nhiều
nguyên nhân :
• Quá tải lượng người truy nhập cùng lúc mà tài nguyên mạng còn hạn chế.
• Hiện tượng xung đột trên mạng LAN.
• Lỗi do các thiết bị vật lý và các liên kết truy nhập mạng.
Cho một ví dụ nếu một kết nối bị hỏng, thì tất cả các bit đang truyền trên liên kết
này sẽ không, và không thể, tới được đích. Nếu một nút mạng ví dụ như bộ định tuyến
hỏng, thì tất cả các bit hiện đang ở trong bộ đệm và đang được xử lý bởi nút đó sẽ biến
mất không để lại dấu vết. Do những loại hư hỏng này trên mạng có thể xảy ra bất cứ
lúc nào, nên việc một vài thông tin bị mất do lỗi trên mạng là không thể tránh khỏi.
Tác động của mất thông tin là tuỳ thuộc và ứng dụng. Điều khiển lỗi trên mạng
là một quá trình gồm hai bước, mà bước đầu tiên là xác định lỗi. Bước thứ hai là khắc
phục lỗi, nó có thể đơn giản là bên gửi truyền lại đơn vị bị mất thông tin. Một vài ứng
dụng, đặc biệt là các ứng dụng thời gian thực, không thể đạt hiệu quả khắc phục lỗi
bằng cách gửi lại đơn vị tin bị lỗi. Các ứng dụng không phải thời gian thực thì thích
hợp hơn đối với cách truyền lại thông tin bị lỗi, tuy nhiên cũng có một số ngoại lệ (ví
dụ như các hệ thống quân sự tấn công mục tiêu trên không thể sử dụng hiệu quả với
cách khắc phục lỗi bằng truyền lại).


16
Vì những lý do này, thông số QoS mất thông tin không những nên định rõ một
giới hạn trên đối với ảnh hưởng của lỗi mà còn nên cho phép người sử dụng xác định
xem có lựa chọn cách sửa lỗi bằng truyền lại hay không. Tuy nhiên, hầu hết các mạng
(đặc biệt là mạng IP) chỉ cung cấp phương tiện vận chuyển thụ động, còn xác định lỗi,
khắc phục lỗi thường được để lại cho ứng dụng (hay người sử dụng).
1.2.5 Tính sẵn sàng (Độ tin cậy)
Là tỉ lệ thời gian mạng hoạt động để cung cấp dịch vụ. Yếu tố này bất kỳ nhà
cung cấp dịch vụ nào tối thiểu cũng phải có. Tổn thất khi mạng bị ngưng trệ là rất lớn.
Tuy nhiên, để đảm bảo được tính sẵn sàng chúng ta cần phải có một chiến lược đúng
đắn, ví dụ như: định kỳ tạm thời tách các thiết bị ra khỏi mạng để thực hiện các công
việc bảo dưỡng, trong trường hợp mạng lỗi phải chuẩn đoán trong một khoảng thời
gian ngắn nhất có thể để giảm thời gian ngừng hoạt động của mạng. Tất nhiên, thậm
chí với một biệt pháp bảo dưỡng hoàn hảo nhất cũng không thể tránh được các lỗi
không thể tiên đoán trước.
Đối với mạng PSTN vì là mạng thoại nên điều này luôn luôn chiếm một vị trí
quan trọng. Mạng đảm bảo hoạt động 24/24 trong ngày , tất cả những ngày lễ, kỉ niệm,
khi nhu cầu lớn hay ngay cả khi nhu cầu giảm xuống rất thấp. Thông thường tỉ lệ thời
gian hoạt động là 99,999% hay 5,25’/ năm.
Mạng dữ liệu thực hiện công việc đó dễ hơn. Hầu hết mạng dữ liệu dành cho
kinh doanh, và do đó hoạt động trong những giờ kinh doanh, thường là từ 8 giờ sáng
đến 5 giờ chiều, từ thứ Hai đến thứ Sáu. Hoạt động bổ trợ có thể thực hiện "ngoài giờ",
và một tập kiểm tra đầy đủ với mục đích phát hiện ra các vấn đề có thể chạy trong ngày
nghỉ.
Internet và Web đã thay đổi tất cả. Mọi mạng toàn cầu phải giải quyết vấn đề
rằng thực sự có một số người luôn cố gắng truy nhập vào mạng tại một số địa điểm. Và
thậm chí Internet có thể thậm chí có ích ở nhà vào 10 giờ tối hơn là ở cơ quan vào 2 giờ
chiều.
Tuy nhiên, nếu người sử dụng nhận thức rõ rằng họ không thể có mạng như
mong muốn trong tất cả thời gian
Tuy nhiên thông số QoS khả dụng thường được quy cho mỗi vị trí hoặc liên kết
riêng lẻ.
1.2.6 Bảo mật
Bảo mật là một thông số mới trong danh sách QoS, nhưng lại là một thông số
quan trọng. Thực tế, trong một số trường hợp độ bảo mật có thể được xét ngay sau
băng thông. Gần đây, do sự đe doạ rộng rãi của các hacker và sự lan tràn của virus trên
mạng Internet toàn cầu đã làm cho bảo mật trở thành vấn đề hàng đầu.


17
Hầu hết vấn đề bảo mật liên quan tới các vấn đề như tính riêng tư, sự tin cẩn và
xác nhận khách và chủ. Các vấn đề liên quan đến bảo mật thường được gắn với một
vài hình thức của phương pháp mật mã, như mã hoá và giải mã. Các phương pháp mật
mã cũng được sử dụng trên mạng cho việc xác nhận (authentication), nhưng những
phương pháp này thường không liên quan chút nào đến vấn đề giải mã.
Toàn bộ kiến trúc đều xuất phát từ việc bổ sung thêm tính riêng tư hoặc bí mật
và sự xác nhận hoặc nhận thực cho mạng Internet. Giao thức bảo mật chính thức cho
IP, gọi là IPSec, đang trở thành một kiến trúc cơ bản để cung cấp thương mại điện tử
trên Internet và ngăn ngừa gian lận trong môi trường VoIP. Thật trớ trêu là mạng
Internet công cộng toàn cầu, thường xuyên bị coi là thiếu bảo mật nhất, đã đưa vấn
đề về bảo mật trở thành một phần của IP ngay từ khi bắt đầu. Một bit trong trường
loại dịch vụ (ToS) trong phần tiêu để gói IP được đặt riêng cho ứng dụng để có thể
bắt buộc bảo mật khi chuyển mạch gói. Tuy nhiên lại nảy sinh một vấn đề là không
có sự thống nhất giữa các nhà sản xuất bộ định tuyến khi sử dụng trường ToS.
Người sử dụng và ứng dụng có thể thêm phần bảo mật của riêng mình vào
mạng, và trong thực tế, cách này đã được thực hiện trong nhiều năm. Nếu có chút nào
bảo mật mạng, thì nó thường dưới dạng một mật khẩu truy nhập vào mạng. Các mạng
ngày nay cần một cơ chế bảo mật gắn liền với nó, chứ không phải thêm vào một cách
bừa bãi bởi các ứng dụng.
Một thông số QoS bảo mật điển hình có thể là "mã hoá và nhận thực đòi hỏi
trên tất cả các luồng lưu lượng". Nếu có lựa chọn, thì truyền dữ liệu có thể chỉ cần mã
hoá, và kết nối điện thoại Internet có thể chỉ cần nhận thực để ngăn gian lận.

1.3 Yêu cầu QoS đối với các dịch vụ khác nhau
1.3.1 Ứng dụng E-mail, FTP
E-mail là một dịch vụ phổ biến nhất trên Internet trước khi World Wide Web ra
đời, nó được đưa ra để người sử dụng trên mạng có thể trao đổi các thông báo cho
nhau trên phạm vi thế giới. Bằng dịch vụ này, mọi người sử dụng máy tính kết nối với
Internet đều có thể trao đổi thông tin với nhau. Đây là một dịch vụ mà hầu hết các
mạng diên rộng đều cài đặt và cũng là dịch vụ cơ bản nhất của một mạng khi gia nhập
Internet. Nhiều người sử dụng máy tính tham gia mạng chỉ dùng duy nhất dịch vụ này.
Dịch vụ này sử dụng giao thức SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) trong họ giao
thức TCP/IP.
Một điểm mạnh của thư điện tử là nó là phương thức trao đổi thông tin nhanh
chóng và thuận tiện. Người sử dụng có thể trao đổi những bản tin ngắn hay dài chỉ
bằng một phương thức duy nhất. Rất nhiều người sử dụng thường truyền tập tin thông
qua thư điện tử chứ không phải bằng các chương trình truyền tập tin thông thường.
Đặc điểm của dịch vụ thư điện tử là không tức thời (off-line) - tất cả các yêu
cầu gửi đi không đòi hỏi phải được xử lý ngay lập tức. Khi người sử dụng gửi một bức


18
thư, hệ thống sẽ chuyển thư này vào một vùng riêng (gọi là spool) cùng với các thông
tin về người gửi, người nhận, địa chỉ máy nhận... Hệ thống sẽ chuyển thư đi bằng một
chương trình không đồng bộ (background). Chương trình gửi thư này sẽ xác định địa
chỉ IP máy cần gửi tới, tạo một liên kết với máy đó. Nếu liên kết thành công, chương
trình gửi thư sẽ chuyển thư tới vùng spool của máy nhận. Nếu không thể kết nối với
máy nhận thì chương trình gửi thư sẽ ghi lại những thư chưa được chuyển và sau đó sẽ
thử gửi lại một lần nó hoạt động. Khi chương trình gửi thư thấy một thư không gửi
được sau một thời gian quá lâu (ví dụ 3 ngày) thì nó sẽ trả lại bức thư này cho người
gửi. Với cơ chế hoạt động như trên thì rõ ràng đối với dịch vụ E-mail không đòi hỏi
yếu tố thời gian thực do vậy yêu cầu QoS đòi hỏi không quá lớn. Khi mạng xẩy ra tắc
nghẽn các mail có thể ngừng chuyển đi mà có thể đợi khi mạng rỗi trở lại thì thực hiện
truyền đi. Tuy nhiên một yêu cầu đối vơi E-mail đó là độ tin cậy, các gói gửi đi phải
đảm bảo đến đích và nội dung cần phải chính xác hòan toàn. Do vậy đòi hỏi mạng
không bị mất gói, hoặc khi có xẩy ra mất gói thì phải có cơ chế truyền lại an toàn do
vậy E-mail sử dụng TCP.
FTP (File Transfer Protocol) là giao thức truyền một file từ một host tới một
host khác. Hình 1.2 diễn tả tổng quan về FTP

Hình 1.2: FTP truyền file giữa các hệ thống
Dịch vụ FTP có những yêu cầu giống với dịch vụ E-mail về chất lượng truyền
dẫn, nó không đòi hỏi nhiều về độ trễ hay jitter, các file có thể đến đích nhanh khi có
nhiều băng thông hay chậm khi băng thông bị hạn chế nhưng quan trọng các gói nhận
được phải đầy đủ và không có lỗi. FTP cũng sử dụng giao thức TCP để khi có mất gói
hay lỗi gói thì có sự truyền lại.
1.3.2 Ứng dụng Streaming, âm thanh hình ảnh lưu trước
Có rất nhiều ứng dụng khác nhau chạy trên nền mạng Internet như Streaming,
Stored Audio và video. Trong các ứng dụng này, các client đưa ra yêu cầu các file âm
thanh hình ảnh nén được lưu trữ trong máy chủ. Các file âm thanh được lưu trước có
thể gồm thu thanh bài giảng của một giáo sư, một bài hát, một bản giao hưởng, nội
dung từ một kênh radio quảng bá, hoặc một đoạn ghi âm lịch sử. Các file video được
lưu trước có thể gồm có các video về một bài giảng của giáo sư, đủ một bộ phim, các
chương trình tivi đã ghi lại từ trước, phim tài liệu, các hình ảnh về các sự kiện lịch sử,


19
các clip nhạc hình hay hoạt hình. Có ba đặc tính quan trọng để phân biệt các lớp ứng
dụng này.
Stored Media: các nội dung media đã được ghi trước và được lưu tại máy chủ.
Do vậy, người dùng có thể tạm dừng, tua lại và tua nhanh cũng như chọn điểm xem
của chương trình. Thời gian từ khi một client đưa ra yêu cầu đến khi hình ảnh hiện ra
tại client vào khoảng 1 tới 10 giây là có thể chấp nhận được.
Streaming: Trong hầy hết các ứng dụng âm thanh, hình ảnh một máy khách bắt
đầu hiển thị các âm thanh hình ảnh sau khi nó nhận file từ máy chủ. Bằng cách này mà
máy khách sẽ hiển thị được hình ảnh, âm thanh từ chỗ trong file trong khi nó vẫn nhận
phần còn lại của file từ máy chủ. Kỹ thuật này gọi là streaming, để tránh việc phải
dowload toàn bộ file (và phải chịu độ trễ lớn) trước khi bắt đầu hiển thị ra. Có nhiều
sản phẩm phần mền phục vụ cho streaming đa phương tiện, gồm có RealPlayer của
hãng RealNetwork vàWindows Media của Microsoft. Tuy nhiên cũng có các ứng dụng
như Napster yêu cầu tòan bộ file phải được dowload trước khi bắt đầu hiện thị.
Continuous phayout: Khi bắt đầu hiển thị một hình ảnh, nên bắt đầu dựa vào
định thời gốc của hình ảnh. Cách này tạo ra một độ trễ đáng kể cho việc phân phát dữ
liệu. Dữ liệu phải được nhận từ máy chủ kịp thời cho việc hiển thị ở máy khách; ngược
lại thì mọi thứ trở nên vô nghĩa. Trễ end to end là bắt buộc đối với streaming, stored
media thường ít liên tục hơn so với các chương trình trực tuyến, các ứng dụng tương
tác như là thoại trên internet và hội nghị truyền hình.
1.3.3 Ứng dụng Streaming cho âm thanh, hình ảnh sống
Lớp ứng dụng này tương tự như các chương trình radio và tive quản bá cổ điển,
ngoại trừ việc truyền dẫn là thông qua Internet. Các ứng dụng này cho phép một người
dùng nhận live radio hoặc tivi truyền từ bất cứ nơi nào trên thế giới. Có thể xen trên
Yahoo !Broadcast 2000 và Netradio 2000 trên Internet.
Bởi vì streaming của âm thanh hình ảnh sống không được lưu trước, một máy
khách không thể tua nhanh. Hơn nữa với phần dữ liệu đã được lưu trong bộ nhớ của
máy khách, thì các hành động tương tác như là dừng và tua lại là có thể thực hiện ở
một số ứng dụng. Các ứng dụng sống, quảng bá online thường có nhiều máy khách
nhận cùng một chương trình. Việc phân bố ânh thanh/ hình ảnh tới nhiều nơi nhận có
thể đạt được bằng kỹ thuật multicast.
1.3.4 Ứng dụng Hình ảnh âm thanh tương tác thời gian thực
Lớp ứng dụng này cho phép người dùng sử dụng âm thanh hình ảnh để kết nối
với người khác theo thời gian thực. Âm thanh tương tác thời gian thực thường được đề
cập tới là điện thoại Internet, theo quan điểm từ phía người dùng, nó tương đương nhiư
dịch vụ điện thoại chuyển mạch kênh cổ điển. Điện thoại internet có thể cung cấp bằng
các tổng đài nội bộ PBX, dịch vụ điện thoại đường dài với giá cả thấp. Nó cũng cung
cấp cả dịch vụ tích hợp điện thoại máy tình, kết nối nhóm thời gian thực, các dịch vụ


20
chuyển huớng, định danh người gọi, lọc người gọi và nhiều dịch vụ khác. Hiện nay đã
có nhiều sản phẩn điện thoại Internet. Với các video tương tác hay còn gọi là hội nghị
truyền hình thì có sản phẩm NetMeeting của Microsoft. Chú ý rằng các ứng dụng âm
thanh hình ảnh tương tác, một user có thể nói hoặc di chuyển bắt cứ lúc nào. Với một
cuộc hội thoại tương tác giữa nhiều người, trễ từ lúc một người nói và di chuyển cho
tới khi hành động đó được chuyển tới đầu nhận nên nhỏ hơn một vài trăm ms. Với âm
thanh, độ trễ nhỏ hơn 150ms là không thể cảm nhận được đối với người nghe. Độ trễ
từ 150ms tới 400ms là có thể chấp nhận được, và độ trễ lớn hơn 400ms là có thể dẫn
đến cuộc hội thoại mà các bên không hiểu nhau nói gì.
1.3.5 Ví dụ về điện thoại VOIP:
Tầng IP cung cấp các dịch vụ best-effort. Với best-effort các gói được truyền đi
từ nguồn tới đích một cách nhanh nhất có thể. Hơn nữa, best-effort không đảm bảo bất
cứ điều gì về độ trễ end to end của các gói, hay biến động trễ hay việc mất gói trong
luồng dữ liệu.
Các ứng dụng đa phương tiện tương tác thời gian thực, như là điện thoại
internet và hội nghị truyền hình thời gian thực thường rất nhẩy cảm với trễ gói, biến
động trễ và mất gói. Chính vì vậy cần phải có các kỹ thuật để đảm bảo các ứng dụng
âm thanh hình ảnh khi truyền qua mạng mà các giá trị về trễ, jitter và mất gói không
vượt quá mức quy định. Chúng ta sẽ xem xét một kỹ thuật trong ngữ cảnh là ứng dụng
điện thoại Internet và trong hội nghị truyền hình thời gian thực thì cũng tương tự.
Một người gọi điện trong ứng dụng VOIP sinh ra một tín hiệu âm thanh gồm có
khoảng có âm và các khoảng lặng. Để tiết kiệm băng thông, ứng dụng điện thoại
internet chỉ sinh ra các gói trong khi nói. Trong khi nói người gửi sinh ra các byte với
tốc độ 8Kbyte/s, và cứ 20 ms người gửi tập hợp các byte thành các đoạn. Bởi vậy, số
lượng byte trong một đoạn là (20ms).(8byte)=160 byte. Một đoạn đầu mào được gắn
vào mỗi đoạn. Các đoạn và đầu mào của nó được đóng gói trong khung UTP, rồi các
khung UTP được gửi tới giao diện Socket. Bởi vậy trong quá trình nói, một khung
UTP được gửi định kỳ 20ms.
Nếu như mỗi gói truyền tới phía nhận với độ trễ cố định, các gói được nhận ở
phía người nghe định kỳ 20ms trong quá trình nói. Trong điều kiện lý tưởng, phía nhận
có thể nghe lại các đoạn một cách đơn giản. Nhưng, một số gói có thể bị mất và các
gói sẽ không có cùng độ trễ, đặc biệt trong khi xẩy ra tắc nghẽn trên mạng. Vì vậy phía
nhận phải quan tâm tới việc xác định khi nào diễn tả lại đoạn và xác định làm gì với
các đoạn mất.
Hạn chế của dịch vụ Best-effort
Như đã đề cập dịch vụ best-effort có thể dẫn đến mất gói, trễ lớn và biến động
trễ lớn. Bây giời ta sẽ xem xét vấn đề này một cách chi tiết hơn


21
Mất gói: Giả sử một khung UDP được sinh ra bởi ứng dụng VOIP. Các khung
UDP được đóng gói trong IP packet. Khi các packet truyền đi trong mạng, nó phải đi
qua các buffer (hành đợi) trong các router để đi tới đường ra. Hoàn toàn có thể là một
hoặc nhiều hàng đợi trong router bị đầy và không thể tiếp nhận các IP packet. Trong
trường hợp này, các IP packet sẽ bị loại bỏ và phía nhận sẽ không thể nhận được.
Mất gói có thể loại bỏ bằng cách gửi các gói thông qua TCP mà không dùng
UDP. Bởi TCP truyền lại các gói không nhận được từ phía đích. Hơn nữa, kỹ thuật
truyền lại không phù hợp với các ứng dụng tương tác thời gian thực như là VOIP bởi
vì chúng sẽ tăng độ trễ. Hơn nữa, bởi vì đặc tính điều khiển tắc nghẽn của TCP, sau
khi gói mất tốc độ truyền tại phía gửi có thể giảm và làm cho tốc độ này nhỏ hơn tốc
độ ở phía nhận. Điều này có thể có một số trở ngại trong vấn đề nhận dạng âm thanh
tại phía thu. Với lý do đó, hầu hết các ứng dụng VOIP thường chạy trên UDP và
không thực hiện việc truyền lại gói tin.
Thực ra vấn đề mất gói không nghiêm trọng như chúng ra nghĩ. Thực ra, tỷ lệ
mất gói nằm trong khoảng từ 1% đến 20% có thể chấp nhận được, dựa vào cách mà
âm thanh mã hóa và truyền đi, và cách mà mất gói có thể che giấu ở phía thu. Ví dụ,
forward error correction (FEC) có thể giúp cho việc che giấu được sự mất gói. Với
FEC, các thông tin dư thừa được truyền cùng với thông tin gốc để mà một số dữ liệu
gốc lỗi có thể khôi phục lại từ các dữ liệu dư thừa. Tuy nhiên, nếu một hoặc một số
đường link giữa người nhận và người gửi có tắc nghẽn, các gói mất vượt quá 20% thì
khó có thể đảm bảo chất lượng âm thanh.
Trễ end to end:
Trễ end to end là gồm có trễ xử lý và trễ hàng đợi trên router, trễ lan truyền, và
các trễ xử lý tại đầu cuối dọc theo đường từ nguồn tới đích. Với những ứng dụng
tương tác cao, như là VOIP, trễ end to end nhỏ hơn 150ms thì người nghe sẽ không
cảm nhận được; trễ giữa 150ms và 400ms có thể chấp nhận được nhưng chưa lý
tưởng; và trễ vượt quá 40 ms sẽ làm hỏng các cuộc hội thoại tương tác bằng âm thanh.
Biến động trễ :
Một thành phần chủ yếu đối với trễ end to end là trễ hành đợi ngẫu nghiê trong
một router. Bởi vì trễ là khác nhau trong mạng, thời gian từ lúc một gói được sinh ra ở
nguồn cho đến khi nó nhận ở phía thu có thể giao động giữa các gói với nhau. Hiện
tượng này được gọi là jitter.
Một ví dụ, giả sử hai gói liên tiếp nhau trong lúc phát tiếng nói đi vào ứng dụng
VOIP. Người gửi gửi gói thứ hai 20ms sau khi gửi gói thứ nhất. Nhưng ở phía nhận,
khoảng thời gian giữa các gói có thể lên đến hơn 20ms. Để làm rõ điều này, giả sử gói
đầu tiên ở gần hàng đợi trống của router, nhưng sau khi gói thứ nhất rời đi thì tại hàng
đợi có nhiều gói từ nguồn khác đến cùng hàng đợi đó. Do vậy gói thứ hai phải chịu độ
trễ hàng đợi lớn hơn, gói thứ nhất và thứ hai trở nên xa nhau hơn 20ms. Khoảng thời


22
gian giữa các gói cũng có thể nhỏ hơn 20ms. Để thấy rõ điều này, lại giả sử hai gói
liên tiếp trong đó gói thứ nhất đi vào phần cuối của hàng đợi với một số lượng lớn các
gói, và gói thứ hai đến hàng đợi trước khi các gói từ nguồn khác tới. Trong trường hợp
này, hai gói đang xét sẽ ở gần kề nhau trong hàng đợi. Nếu như thời gian để truyền
một gói trong đi ra ngoài nhỏ hơn 20ms thì gói thứ nhất và thứ hai sẽ cách nhau
khoảng thời gian nhỏ hơn 20ms.
Nếu như phía nhận bỏ qua sự tồn tại của jitter, và khôi phục các đoạn như là
những gì nhận được, khi đó sẽ dẫn đến chất lượng âm thanh trở nên không nhận ra tại
phía thu. Tuy nhiên jitter có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng sequence number,
timestamps và plauout delay.
Loại bỏ jitter tại đầu thu đối với âm thanh
Đối với ứng dụng âm thanh như VOIP hoặc âm nhạc theo yêu cầu, phía nhận
nên cung cấp khả năng phát đồng bộ các đoạn âm thanh khi mà vẫn tồn tại jitter mạng.
Điều này thực hiện được bằng việc kết hợp ba kỹ thuật sau :
Gán vào mỗi đoạn một số liên tục. Người gửi tăng dãy số liên tục lên một đối
với các gói tin sinh ra.
Gán cho mỗi đoạn một nhãn thời gian. Phía gửi gán mỗi đoạn một thời gian cho
mỗi đoạn được sinh ra.
Hiển thị trễ các đoạn ở phía nhận. Hiển thị trễ các đoạn âm thanh nhận được
phải đủ dài để cho các gói nhận được trước khi lên lịch hiển thị. Trễ hiển thị có thể
được cố định trong khoảng thời gian trong suốt toàn bộ thời gian hội nghị, hoặc có thể
thay đổi tùy biến trong thời gian hội nghị. Các gói không đến được trước khi thời gian
lên lịch hiển thị sẽ bị coi là mất; như đã đề cập, phía nhận có thể sử dụng một số dạng
nội suy tiếng nói để cố gắng làm ẩn đi sự mất gói.
Khôi phục lại gói mất:
• Chỉnh sửa dữ liệu phía người gửi (Sender-Based Repair)
Một số kỹ thuật chỉnh sửa dữ liệu với sự tham gia của bên gửi luồng dữ liệu có
thể để phục hồi các gói bị mất. Các kỹ thuật này có thể chia thành hai loại: sự truyền
lại tích cực và mã hoá kênh thụ động. Mã hoá kênh thụ động lại được chia làm hai
dạng là sửa lỗi trước (FEC: Forward Error Correction) và sự sắp xếp đan xen. FEC có
thể là : không phụ thuộc môi trường (media-independent) hay phụ thuộc môi trường
(media-specific). Sự phân loại này được thể hiện ở hình 1.3.


23

Hình 1.3: Phân loại các kỹ thuật sửa đổi dữ liệu phía người gửi
Để đơn giản cho thảo luận tiếp theo chúng ta tách biệt khái niệm đơn vị dữ liệu
và gói dữ liệu. Một đơn vị là một khoảng thời gian dữ liệu về âm thanh, chúng được
lưu trữ ở thiết bị đầu cuối tại công cụ audio. Một gói bao gồm một hay nhiều đơn vị
liên kết với nhau để truyền dẫn trên mạng.
- Sửa lỗi trước (Forward Error Correction)
Một số kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi trước đã được phát triển để khắc phục sự mất
mát dữ liệu trong thời gian truyền dẫn. Bằng cách đưa thêm dữ liệu vào luồng gửi đi ta
có thể phục hồi được nội dung của các gói bị mất.
+ FEC độc lập với môi trường (Media-independent FEC)
Có nhiều phương pháp mã hoá FEC không phụ thuộc vào dữ liệu như là mã hoá
đại số hay mã khối để thêm vào các gói tin trong quá trình truyền dẫn giúp chúng ta
hiệu chỉnh sự mất gói. Mỗi mã có một từ mã riêng và kết hợp với k gói dữ liệu để tạo
ra n-k gói kiểm tra, kết quả là số gói được truyền trên mạng là n gói.

Hình 1.4: Sửa đổi dữ liệu sử dụng FEC
Có rất nhiều cách mã hoá khối song ở đây chỉ đề cập đến hai cách là : mã hoá
chẵn lẻ và mã Reed-Solomon. Các cách mã hoá khối này đầu tiên được sử dụng để
phát hiện và hiệu chỉnh các lỗi trong luồng bít truyền dẫn bằng cách tạo ra các bít kiểm
tra từ các bít dữ liệu. Một luồng các gói được truyền đi chúng ta quan tâm tới sự mất
mát các gói tin của nó vì vậy chúng ta phải áp dụng cách mã hoá khối thông qua các
các bít trong các khối của các gói tin.


24
Trong mã hoá chẵn lẻ các thao tác XOR được áp dụng cho một nhóm các gói để
tạo ra các gói tin chẵn lẻ phù hợp. Trong giản đồ hình 1.4 thì cứ n-1 gói dữ liệu lại
truyền đi một gói chẵn lẻ. Với điều kiện chỉ mất một gói trong n gói dữ liệu được
truyền đi thì gói mất đó sẽ được phục hồi lại. Có nhiều cách mã hoá chẵn lẻ khác nhau
bắt nguồn từ sự tổ hợp khác nhau về XOR của các gói. Một vài cách mã hoá kiểu này
được đề cập bởi Budge và đã được tổng kết bởi Rosenberg và Schulzrinne.
Mã Reed- Solomon (RS) rất nổi tiếng về việc hiệu chỉnh các lỗi. Việc mã hoá
dựa trên thuộc tính của các đa thức. Bản chất của mã hoá RS là lấy một số từ mã và sử
dụng chúng làm hệ số của đa thức f(x).
Phương pháp FEC có nhiều ưu điểm. Trước tiên, về cách mã hoá độc lập với
môi trường, các thao tác của FEC không phụ thuộc vào nội dung gói tin và khi sửa
chữa sẽ lập lại chính xác vị trí của gói tin bị mất. Các thao tác tính toán nhằm khắc
phục gói tin bị mất và khôi phục chúng là rất đơn giản. Nhược điểm của phương pháp
này là thêm độ trễ, tăng băng thông và công cụ mã hoá khó khăn.
+ FEC phụ thuộc vào môi trường (Media-specific FEC)
Một cách đơn giản để chống lại sự mất gói tin là truyền mỗi khối audio trong
nhiều gói. Nếu một gói bị mất thì nội dung của gói khác có khối tương tự sẽ khôi phục
lại gói bị mất đó. Nguyên lý này được minh hoạ trong hình 1.5. Cách làm này được đề
nghị bởi Hardman và Bolot và được mở rộng bởi Podolsky.

Hình 1.5: Sửa chữa sử dụng FEC phụ thuộc vào môi trường.
Bản sao truyền dẫn đầu tiên của dữ liệu audio được truyền như là mã hoá chính
và sau đó truyền tiếp theo như là mã hoá phụ. Ta có thể gửi lược đồ mã hoá phụ giống
như lược đồ mã hoá chính. Nhưng thường thì sơ đồ mã hoá phụ có băng thông nhỏ
hơn và chất lượng thấp hơn sơ đồ mã hoá chính.
Lựa chọn sơ đồ mã hoá là vấn đề khó khăn và phụ thuộc vào cả yêu cầu băng
thông và độ phức tạp tính toán của bộ mã hoá (Erdol sử dụng phương pháp mã hóa và
giải mã thông qua việc đo và thống kê các bit 0 (zero) trong khoảng thời gian ngắn).
Ưu điểm của việc sử dụng sơ đồ này là ít phải thực hiện tính toán và có thể nhanh


25
chóng được mã hoá. Hardman và Bolot đề nghị sử dụng cách mã hoá phân tích-tổng
hợp tốc độ bít thấp chẳng hạn như LPC (2,4-5,6 kb/s) và mã hoá GSM toàn tốc
(13kb/s).
Nếu bộ mã hoá chính dùng bộ xử lý mạnh để cho ta chất lượng vừa phải và
băng thông thấp thì bộ mã hoá phụ có thể sử dụng giống như bộ mã hoá chính. Một ví
dụ của trường hợp này là bộ mã hoá G.723.1 của hiệp hội viễn thông quốc tế ITU sử
dụng một phần lớn sức mạnh tính toán của bộ xử lý cá nhân, nó cho ta độ rộng băng
thông thấp (5,3/6,3 kb/s).
Sử dụng FEC phụ thuộc vào môi trường thì ta phải chịu một tiêu đề gói lớn.
Trong ví dụ sử dụng 8 kHz PCM (64 kb/s) như là sơ đồ mã hoá chính và GSM (13
kb/s ) làm mã hoá phụ thì kết quả là kích thước của gói dữ liệu sẽ tăng thêm 20%.
Giống như sơ đồ FEC độc lập với môi trường thì tiêu đề của FEC phụ thuộc vào môi
trường có thể thay đổi. Tuy nhiên, không giống như các giản đồ mã hoá khác, tiêu đề
của gói tin trong FEC phụ thuộc vào môi trường có thể giảm đi mà vẫn có thể phục hồi
được gói bị mất nhưng với mức chất lượng thấp hơn. Giảm tiêu đề gói đã được sử
dụng cho các ứng dụng audio.
Khác với nhiều công nghệ phía đầu gửi khác đã được thảo luận, sử dụng FEC
phụ thuộc vào môi trường có ưu điểm là độ trễ thấp chỉ có độ trễ gói đơn được thêm
vào. Điều này phù hợp cho các ứng dụng mang tính tương tác.
- Đan xen (Interleaving)
Khi kích thước của khối nhỏ hơn kích thước của gói tin và trễ từ đầu cuối tới
đầu cuối là không quan trọng, đan xen (interleaving) là kỹ thuật hữu ích cho việc giảm
hiệu ứng mất gói. Trước khi truyền các khối được sắp xếp lại. Các khối cạnh nhau
được tách ra xa nhau với khoảng cách đảm bảo trong luồng được truyền dẫn và lập lại
thứ tự các gói tin tại bên nhận. Đan xen làm giảm hiệu ứng mất gói. Nếu cho ví dụ các
khối có chiều dài là 5ms và các gói chiều dài 20 ms (tức là 4 khối trong một gói) thì
gói thứ nhất chứa các khối 1, 5, 9, 13; các khối của gói thứ hai là 2, 4, 6, 14. Thí dụ
minh hoạ được thể hiện trên hình 1.6.

Hình 1.6: Các khối được đan xen trong nhiều gói


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×