Bài Thí Nghiệm : Chất lượng dịch vụ QoS: Ảnh hưởng của cơ chế xếp hàng.

1. Giới thiệu

Trong một mạng lưu-và-chuyển, các router duy trì một hay nhiều hàng chờ cho mỗi đường ra.

Việc duy trì (các) hàng chờ này là rất cần thiết vì một gói tin có thể đến rồi được chuyển tiếp tới một đường ra trong khi nó đang thực sự bận. Một cơ chế xếp hàng sẽ xác định một tập các quy tắc để đặt các gói tin vào (các) hàng chờ và lấy chúng ra khi chuyển tiếp. Cơ chế xếp hàng nguyên thuỷ là Vào trước-Ra trước (First-In, First-Out - FIFO) đối xử với tất cả các luồng dữ liệu như nhau và do đó khá đơn giản trong việc thực hiện. Một gói tin vừa mới tới sẽ được xếp ở cuối hàng và phải chờ đến lượt để được chuyển tiếp.

Tuy nhiên, ngày nay khi mạng Internet còn được dùng để truyền cả các luồng thoại cũng như video thì các cơ chế FIFO đơn giản là không đủ. Các ứng dụng thoại và video đòi hỏi các yêu cầu khá cao về độ trễ và biến thiên trễ (jitter) truyền tải. Một cách để đáp ứng các chỉ tiêu này là đối xử với các gói tin theo cách khác nhau trong các hàng chờ của router. Đối với cơ chế Xếp hàng Công bằng Trọng số (Weighted Fair Queuing - WFQ), mỗi cấp ưu tiên sẽ sử dụng một hàng chờ. Các trọng số được gắn với các hạng ưu tiên khác nhau dựa trên mức độ quan trọng của nó. Các hàng chờ sẽ được phục vụ (hay các gói tin sẽ được lấy ra từ các hàng và được gửi tới đường ra) với tốc độ dựa vào trọng số của chúng. Ví dụ, nếu hàng chờ A được

gán trọng số bằng 1 còn hàng chờ B được gán trọng số là 2 thì cứ 2 gói tin của hàng B được chuyển đi thì sẽ có 1 gói tin của hàng A được phục vụ. Bằng cách gán các luồng thoại và video vào 1 hàng chờ có trọng số cao, chúng sẽ được chuyển tiếp với tốc độ cao hơn tải tin tiêu chuẩn.

Đối với cơ chế xếp hàng ưu tiên, nhiều hàng chờ được duy trì dựa trên cấp ưu tiên mà gói tin được gán. Trong trường hợp này, toàn bộ các gói tin có mức ưu tiên cao sẽ được chuyển tiếp trước mọi gói tin có mức ưu tiên thấp. Giả thiết chúng ta có hai hàng chờ, một hàng dành cho tải lưu lượng có mức ưu tiên một, còn một hàng cho tải lưu lượng mức ưu tiên hai, hàng chờ mức ưu tiên hai sẽ được xử lí cho đến hết, sau đó hàng chờ ưu tiên một mới được phục vụ. Nếu có gói tin mức ưu tiên hai đến thì việc phát gói tin mức ưu tiên một sẽ bị chặn lại để phục vụ gói tin mới đến có mức ưu tiên cao hơn trước.

2. Mục tiêu thí nghiệm

Khảo sát các ảnh hưởng khi áp dụng các cơ chế xếp hàng khác nhau ở router. Tỉ lệ mất gói tin do tràn bộ đệm tại router cũng như độ trễ xếp hàng và biến thiên trễ (jitter) sẽ được khảo sát một cách chi tiết ở mỗi loại cơ chế khác nhau.

3. Các bước thí nghiệm.

Xây dựng mô hình mô phỏng

Khởi động OPNET IT Guru Academic Edition

1. Chọn thực đơn File => New…

2. Chọn Project rồi nhấp OK.

3. Thay đổi Project Name là xx_QoS_Queuing (trong đó xx là số khởi đầu), đặt tên hoạt cảnh Scenario Name là PQ rồi nhấp OK.

4. Trong cửa sổ Initial Topology, chọn Create Empty Scenario và nhấp vào Next.

5. Trong cửa sổ Choose Network Scale, chọn Choose From Maps và nhấp Next.

6. Trong cửa sổ Choose Map chọn usa rồi nhấp Next.

7. Trong cửa sổ Choose Technologies nhấp Next.

8. Trong cửa sổ Review, nhấp OK.

Hình 1. Hộp thoại Review của công cụ Startup Wizard.

Đầu tiên chúng ta sẽ cấu hình hai ứng dụng nền FTP tương tự nhau ngoại trừ mức ưu tiên.

1. Chọn biểu tượng Application Config từ thư viện công cụ Object Palette và rồi đặt nó vào không gian thiết kế workspace.

2. Nhấp phải chuột lên biểu tượng rồi chọn Edit Attributes. Đặt thuộc tính name là Applications.

3. Bung thư mục Application Definitions, đặt giá trị về Default.

Hình 2. Khai báo thuộc tính Applications.

4. Tiếp tục bung thư mục Application Definitions, đặt thuộc tính rows là 2.

5. Bung thư mục row 0, đặt trường tên Name là FTP_Low_Priority_Application.

a. Bung thư mục thuộc tính Description, tiếp theo phải đặt thuộc tính Database về Off để có thể cài đặt giá trị cho thuộc tính Ftp.

b. Nhấp phải chuột vào vị trí Off ngang hàng với thuộc tính Ftp, chọn Edit…

c. Trong cửa sổ (Ftp) Table vừa hiện ra, đặt các tham số cho thuộc tính Inter-Request Time (sec) như sau, Distribution Name là exponential, Mean Outcome là 5.

Lưu ý là cần đặt trường Special Value về Not Used để có thể thay đổi các tham số thuộc tính.

Nhấp OK để đóng cửa sổ “Inter-Request Time”.

d. Tương tự, đặt thuộc tính File Size (bytes) là constant (500000).

e. Trường Type of Service được đặt về Best Effort (0). Best Effort là mức ưu tiên thấp nhất. Ứng dụng vừa được cài đặt sẽ truyền liên tục các file có kích thước 500 KB với khoảng thời gian trung bình giữa mỗi lần truyền là 5 giây.

f. Nhấp OK để đóng cửa sổ (Fpt) Table.

Hình 3. Hộp thoại (FTP) Table của ứng dụng Low_Priority.

6. Tiếp theo, bung thuộc tính row 1 và đặt tên là FTP_High_Priority_Application.

a. Đặt Inter-Request Time (sec) là exponential(5) và File Size (bytes) là constant

(500000).

b. Thay đổi trường Type of Service về Exellent Effort (3). Exellent Effort cho phép mức ưu tiên cao hơn Best Effort.

c. Nhấp OK hai lần để đóng cửa sổ.

Hình 4. Hộp thoại (FTP) Table của ứng dụng High_Priority.

Tiếp theo profile của mô hình mạng sẽ được định nghĩa thông qua các thao tác sau:

1. Chọn đối tượng Profile Config từ thư viện công cụ Object Palette rồi đặt vào workspace.

2. Nhấp phải chuột lên đối tượng và chọn Edit Atttributes. Đặt thuộc tính name là Profiles.

3. Bung thuộc tính Profile configuration và đặt rows là 2.

4. Bung thuộc tính row 0 rồi đặt Profile Name là FTP_Low_Priority_Profile.

a. Bung thuộc tính Applications và đặt row là 1.

b. Bung thuộc tính row 0, đặt trường Name là FTP_Low_Priority_Application.

c. Đặt Duration (seconds) là End of Last Task.

d. Bung thuộc tính Repeatability và đặt Inter-repeatition Time (seconds) là constant (0).

Hình 5. Cài đặt tham số cho profiles.

5. Bung thuộc tính row 1, đặt Profile Name là FTP_High_Priority_Profile.

a. Bung thuộc tính Applications và đặt rows là 1.

b.Bung thuộc tính row 0 rồi đặt trường Name là FTP_High_Priority_Application.

c. Đặt Duration (seconds) là End of Lask Task.

d. Bung thuộc tính Repeatability và đặt Inter-repetition Time (seconds) là constant(0).

6. Nhấp OK để đóng cửa sổ (Profiles) Attributes.

Các cài đặt vừa rồi cho chúng ta các profile cần dùng cho mô phỏng. Tiếp theo chúng ta sẽ xây dựng một mạng truyền dữ liệu sử dụng các profile này.

1. Chọn 2 thiết bị ppp_wkstn từ thư viện công cụ Object Palette và đặt nó vào workspace.

a. Nhấp phải chuột lên máy trạm này và chọn Edit Atributes.

b. Đặt trường name là FTP Low Client.

c. Bung thuộc tính Application: Support Profiles, đặt thuộc tính row là 1.

d. Bung row 0 rồi chọn Profile Name là FTP_Low_Priority_Profile.

e. Nhấp OK để đóng cửa sổ tương tác.

Hình 6. Cài đặt tham số cho FTP Low Client.

Làm tương tự cho FTP High Client.

a. Nhấp phải chuột lên máy trạm này và chọn Edit Atributes.

b. Đặt trường name là FTP High Client.

c. Bung thuộc tính Application: Support Profiles, đặt thuộc tính row là 1.

d. Bung row 0 rồi chọn Profile Name là FTP_High_Priority_Profile.

e. Nhấp OK để đóng cửa sổ tương tác.

Tiếp theo chúng ta sẽ cài đặt máy chủ server hỗ trợ cả hai ứng dụng FTP vừa được định nghĩa.

Hình 7. Cài đặt tham số cho FTP Server

1. Chọn thiết bị ppp_server trong thư viện đối tượng Object Palette rồi đặt nó vào workspace.

2. Nhấp phải chuột lên thiết bị rồi chọn Edit Attributes.

3. Thay đổi thuộc tính name của server thành FTP Server.

4. Nhấp phải chuột lên thuộc tính (…) ngang hàng với Application: Supported Services, chọn Edit.

5. Cửa sổ (Application: Supported Services) Table xuất hiện. Đặt thuộc tính Rows là 2.

6. Đặt trường Name trong hàng thứ nhất là FTP_Low_Priority_Application.

7. Đặt trường Name trong hàng thứ hai là FTP_High_Priority_Application.

8. Nhấp OK hai lần để đóng các cửa sổ giao diện.

Hình 8. Cài đặt tham số cho Application: Supported Services.

Việc chọn hai router và tạo các kết nối trong mạng này được thực hiện như sau:

Hình 9. Mô hình mạng truyền số liệu mô phỏng.

1. Chọn 2 thiết bị ethernet4_slip8_gtwy trong thư viện đối tượng và đặt chúng vào workspace.

2. Nhấp phải chuột lên một router rồi chọn Set Name. Đặt tên của router này là Router 1.

3. Làm tương tự để đặt tên router còn lại là QoS Router.

4. Chọn đường truyền PPP_DS1 trong thư viện đối tượng, dùng nó để nối hai máy trạm FTP với Router 1 và nối hai router với nhau.

5. Chọn đường truyền PPP_DS3 trong thư viện đối tượng và dùng nó để nối máy chủ FTP với QoS Router.

Tiếp theo chúng ta cần thiết lập các cơ chế xếp hàng sẽ được dùng trong các router. Nhấp phải chuột lên QoS Router và chọn Select Similar Nodes để có thể áp dụng các thay đổi cho cả hai router đồng thời.

Hình 10. Cài đặt cơ chế xếp hàng PQ.

1. Trên cửa sổ workspace, chọn tab Protocols => IP => QoS => Configure QoS…

2. Đặt QoS Scheme là Priority Queuing.

3. Để ý là thuộc tính QoS Profile được đặt ở ToS Based, nghĩa là các router sẽ dùng các mức ưu tiên Type of Service vừa được cài đặt thông qua việc sử dụng trường định nghĩa này.

4. Nhấp phải chuột lên khoanh chọn bên cạnh Interfaces on selected router(s).

5. Nhấp OK để đóng cửa sổ QoS Configuration.

Chúng ta vừa cài đặt để QoS Router sử dụng cơ chế xếp hàng phù hợp ở các giao diện của chúng.

Lưu ý là một đối tượng QoS Parameters sẽ tự động xuất hiện trong workspace.

Nguyên nhân là do chúng ta đã cấu hình QoS Router sử dụng các cơ chế xếp hàng vừa được định nghĩa trước đó. Tiếp theo chúng ta sẽ tiến hành kiểm tra tên giao diện được gán cho QoS Router.

1. Nhấp phải chuột lên đường truyền PPP nối QoS Router với Router 1, chọn Edit Attributes.

2. Kiểm tra các thuộc tính port a và port b để xem giao diện nào đang được sử dụng trên QoS Router (trong ví dụ này là IF10). Khi xây dựng bài thí nghiệm, chúng ta có thể nhận được tên giao diện khác tuỳ thuộc vào cách đặt đường truyền PPP.

3. Nhấp OK để đóng cửa sổ (Router 1 <=> QoS router) Attributes.

Hình 11. Tên giao diện được gán cho QoS Router.

Chúng ta sẽ sử dụng thông tin vừa tìm được để thay đổi kích thước bộ đệm của giao diện này sao cho tràn bộ đệm nhanh chóng xảy ra.

1. Nhấp phải chuột lên QoS Router và chọn Edit Attributes.

2. Bung thư mục IP Routing Parameters, rồi thư mục Interface Information và thư mục hàng đối với giao diện vừa tìm được, row 10 trong ví dụ này.

3. Tiếp tục bung thư mục QoS Information, đặt thuộc tính Buffer Size (bytes) là 100000.

Bằng cách đặt kích thước bộ đệm trên giao diện này tương đối nhỏ, tràn bộ đệm sẽ nhanh chóng xảy ra, cho phép chúng ta quan sát các kết quả của các cơ chế xếp hàng khác nhau dễ dàng hơn. Để ý là dù thế nào thì tràn bộ đệm cuối cùng cũng sẽ xảy ra vì máy chủ FTP Server sản sinh ra tải lưu lượng khá lớn, được truyền trên đường truyền DS3 nối với QoS Router, nhưng QoS Router chỉ sử dụng đường truyền DS1 để chuyển tiếp các gói tin tới các máy trạm.

4. Nhấp OK để đóng cửa sổ (QoS Router) Attributes.

Hình 12. Thay đổi kích thước bộ đệm của giao diện được gán cho QoS Router.

Chọn tham số kết quả mô phỏng

1. Nhấp phải chuột lên QoS Router và chọn Choose Individual Statistics.

2. Bung thư mục IP Interface, chọn Buffer Usage (packets), Queuing Delay Variation (sec), Queuing Delay (sec) và Traffic Dropped (packets/sec).

3. Nhấp OK để đóng cửa sổ Choose Results.

Hình 13. Chọn tham số kết quả mô phỏng.

Đặt cấu hình chạy mô phỏng

1. Chọn Simulation => Configure Discrete Event Simulation…

2. Trong tab Common, đặt Duration là 10, chọn đơn vị thời gian là minute(s).

3. Nhấp Run để chạy mô phỏng.

4. Khi mô phỏng kết thúc, nhấp Close để đóng cửa sổ Simulation Sequence.

Hình 14. Đặt cấu hình chạy mô phỏng.

Khảo sát và phân tích kết quả mô phỏng

Trước tiên chúng ta sẽ xem xét lưu lượng rớt của hai hàng chờ.

1. Chọn tab Results => View Results…

2. Chọn và bung các thư mục Object Statistics, Choose From Maps Network, QoS Router và IP Interface.

3. Nhấp phải chuột chọn các tham số kết quả PQ Traffic Dropped (Packets/sec) IF10 Q1 và PQ Traffic Dropped (Packets/sec) IF10 Q0 (Default Queue).

Lưu ý là giao diện 10 (IF10) là giao diện trên QoS Router nối với Router 1. Nếu trong quá trình xây dựng mô hình thí nghiệm chúng ta gặp một giao diện có tên khác thì phải thay đúng giao diện đó trong các bước phân tích kết quả tiếp theo. Sử dụng chế độ As Is để xem các toàn bộ các kết quả. Các tham số kết quả được chọn cho biết có bao nhiêu gói tin đã bị đánh mất do tràn bộ đệm. Q1 tương ứng với tải lưu lượng có mức ưu tiên cao trong khi Q0 tương ứng với tải tin mức ưu tiên thấp. Để ý là hàng chờ mức ưu tiên cao có tỉ lệ mất gói tin thấp hơn so với hàng chờ mức ưu tiên thấp.

Hình 15. Hộp thoại View Results với các đồ thị Traffic Dropped của

hai hàng chờ có cấp ưu tiên khác nhau.

4. Nhấp phải chuột lên các kết quả một lần nữa để tắt đồ thị preview.

Đồ thị độ trễ của hai hàng chờ, minh hoạ trên hình 5.15, được lấy ra như sau:

1. Chọn kết xem quả PQ Queue Delay (sec) IF10 Q1 và PQ Queue Delay (sec) IF10 Q0 (Default Queue). Các kết quả này cho biết lượng thời gian các gói tin phải đợi trong hàng chờ trước khi được gửi đi. Có thể quan sát thấy tải tin có mức ưu tiên thấp (Q0) phải chờ lâu hơn đáng kể so với các gói tin có mức ưu tiên cao hơn (Q1).

2. Nhấp phải chuột lên các thư mục này để tắt đồ thị preview.

Hình 16. Hộp thoại View Results với các đồ thị Queuing Delay của hai hàng chờ có cấp ưu tiên khác nhau.

Hình 17. Hộp thoại View Results với các đồ thị Queuing Delay Variation của

hai hàng chờ có cấp ưu tiên khác nhau.

Cuối cùng, độ đầy bộ đệm được khảo sát theo các bước sau:

1. Chọn xem PQ Buffer Usage (packets) IF10 Q1 và PQ Buffer Usage (packets) IF10 Q0 (Default Queue). Các kết quả này cho biết số gói tin phải đợi trong hàng chờ tại mỗi thời điểm trong thời gian mô phỏng. Dễ dàng quan sát thấy có rất nhiều gói tin có mức ưu tiên thấp phải đứng trong hàng chờ tại mọi thời điểm trong khi đó rất ít gói tin mức ưu tiên cao phải xếp hàng chờ.

2. Nhấp lại chuột lên các thư mục này để tắt đồ thị preview.

3. Lưu mô hình vừa xây dựng và tắt hết các cửa sổ giao diện.

Hình 5.18. Hộp thoại View Results với các đồ thị Buffer Usage của hai hàng chờ có cấp ưu tiên khác nhau.