QoS là gì? Tác dụng và cách hoạt động

Trả lời nhanh:

Tính năng QoS (Quality of Service) trên một switch là khả năng quản lý và ưu tiên lưu lượng mạng dựa trên các yêu cầu và ưu tiên của ứng dụng hoặc dịch vụ cụ thể. QoS trên switch giúp đảm bảo rằng các ứng dụng và dịch vụ trên mạng hoạt động một cách hiệu quả và có chất lượng cao bằng cách ưu tiên lưu lượng dữ liệu quan trọng và kiểm soát tải trên mạng.

Tính năng QoS là gì?

QoS được viết bởi “Quality of Service“, là kỹ thuật và tiêu chuẩn được sử dụng để quản ưu tiên các gói tin quan trọng hơn và cung cấp băng thông cho chúng nhằm đảm bảo và cải thiện chất lượng khi truyền tải các dữ liệu.

QoS được sử dụng để quản lý và cải thiện chất lượng của dịch vụ mạng. Mục tiêu chính của tính năng này là đảm bảo rằng các ứng dụng và dịch vụ mạng như truyền hình trực tuyến, gọi Video, chơi game trực tuyến hay các ứng dụng quan trọng khác có thể hoạt động một cách mượt mà và ổn định.

Các phương pháp QoS thường bao gồm ưu tiên gói tin, giới hạn băng thông, cơ chế đặt hàng ưu tiên, và quản lý tải. Tính năng này được ứng dụng trong các môi trường mạng, bao gồm mạng doanh nghiệp, mạng truyền hình, và mạng viễn thông, nơi chất lượng dịch vụ là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và hài lòng của người dùng.

Các thiết bị hỗ trợ QoS chủ yếu là bộ chuyển mạch Switch và Router. Đây là 2 thiết bị đảm nhiệm chính việc định tuyến và chuyển tiếp dữ liệu trong mạng.

Tại sao cần tính năng QoS

Các thiết bị mạng như bộ định tuyến hay Switch mạng không quan tâm đến loại lưu lượng mà chúng chuyển tiếp. Cách hoạt động của chúng rất đơn giản: “Bộ chuyển mạch của bạn nhận được khung Ethernet, tìm địa chỉ MAC đích và chuyển tiếp khung tới đích. Điều tương tự cũng áp dụng cho bộ định tuyến của bạn, nó nhận gói IP, tìm kiếm đích trong bảng định tuyến và chuyển tiếp gói tới đích.”

Các thiết bị mạng không quan tâm xem dữ liệu nó chuyển tiếp là khung Frames hay gói tin do bạn tải nhạc trên Shoptify xuống hay là tín hiệu Voice từ các điện thoại VoIP. Logic chuyển dữ liệu của chúng là FIFO. Tức là vào trước ra trước. Điều này thực sự có thể gây ra vấn đề. Hãy xem qua ví dụ sau:

Theo hình trên bạn có thể thấy: mình đang có một mạng nhỏ gồm 2 Router, 2 Switch và hai thiết bị chủ (H1, H2) và hai điện thoại IP. Trong mang mình sẽ sử dụng Gigabit Ethernet, nhưng giữa 2 Switch mình sẽ là 1 liên kết chậm giả sử là 1.54Mbps.

Khi máy chủ và điện thoại IP truyền data và voice cho máy chủ và điện thoải ở bên kia, sẽ có thể xảy ra tắc ở liên kết nối tiếp. Router sẽ xếp hàng các gói tin đang chờ truyền. Nhưng nếu hàng đợi đầy thì Router phải làm gì? Bỏ các gói tin data hay các gói Voice? Nếu bạn mất gói Voice thì người ở bên sẽ nghe được chất lượng giọng kém. Nhưng nếu chọn Data thì máy chủ kia lại mất nhiều thời gian hơn để nhận dữ liệu.

QoS xuất hiện để giải quyết vấn đề này. Nó sẽ thay đổi cách bộ định tuyến hoặc Switch xử lý các gói tin khác nhau. Ví dụ bạn có thể cấu hình Router để lưu lượng Voice được ưu tiên hơn Data.

Do đó, QoS sinh ra để giải quyết các vấn đề về lưu lượng trong mạng. Hãy cùng xem các vấn đề của lưu lượng mạng là gì?

QoS giúp lưu lượng dữ liệu như thế nào?

Có 4 vấn đề cần giải quyết trong lưu lượng dữ liệu mạng:

• Băng thông.
• Độ trễ.
• Jitter.
• Sự mất mát.

Băng thông thể thiện tốc độ của liên kết (Mbps). Với QoS, bạn có thể cho bộ định tuyến biến cách làm sao để phân phối băng thông một cách hợp lý nhất. Với nguyên tắc FIFO, cứ dữ liệu nào đến Router trước thì được ưu tiên chuyển tiếp trước. Với QoS, bạn có thể tạo các hàng đợi 1, 2, 3 và đặt các loại lưu lượng nhất định vào các hàng đợi khác nhau. Sau đó chúng ta cũng có thể định cấu hình Router sao cho hàng đợi 1 nhân được 50% băng thông, hàng 2 nhận được 20% băng thông và hàng 3 nhận được 30% băng thông còn lại.

Độ trễ là thời gian để 1 gói tin đi từ nguồn đến đích. Đây gọi là độ trễ 1 chiều. Thời gian cần thiết để đi từ 1 nguồn đến đích và quay lại gọi là độ trễ khứ hồi. Có nhiều loại độ trễ khác nhau, trong bài này mình sẽ không đi vào chi tiết nhưng sẽ điểm qua nhanh một chút để bạn dễ hiểu:

• Độ trễ xử lý: đây là thời gian cần thiết để thiết bị thực hiện tất cả các tác vụ cần thiết để chuyển tiếp gói tin. Ví dụ: bộ định tuyến phải thực hiện tra cứu trong bảng định tuyến, kiểm tra bảng ARP, danh sách truy cập gửi đi và hơn thế nữa. Tùy thuộc vào kiểu bộ định tuyến, CPU và phương pháp chuyển mạch, điều này ảnh hưởng đến độ trễ xử lý.
• Độ trễ xếp hàng: khoảng thời gian gói chờ trong hàng đợi. Khi một giao diện bị tắc nghẽn, gói sẽ phải đợi trong hàng đợi trước khi được truyền đi.
• Độ trễ tuần tự hóa: thời gian cần thiết để gửi tất cả các bit của khung tới giao diện vật lý để truyền.
• Độ trễ lan truyền: thời gian để các bit đi qua môi trường vật lý. Ví dụ: thời gian để các bit di chuyển qua một liên kết cáp quang dài 10 dặm thấp hơn nhiều so với thời gian để các bit di chuyển bằng các liên kết vệ tinh.

Tróng các độ trễ này, chẳng hạn như độ trễ lan truyền, là không thể thay đổi. Tuy nhiên, những gì chúng ta có thể làm với QoS là tác động đến độ trễ hàng đợi. Ví dụ: bạn có thể tạo hàng đợi ưu tiên luôn được phân phát trước các hàng đợi khác. Bạn có thể thêm các gói thoại vào hàng đợi ưu tiên để chúng không phải đợi lâu trong hàng đợi, giảm độ trễ khi xếp hàng.

Jitter là biến thể của độ trễ một chiều trong luồng gói. Ví dụ: giả sử điện thoại IP gửi một luồng gói Voice ổn định. Do tắc nghẽn trong mạng nên một số gói bị trễ. Độ trễ giữa gói 1 và 2 là 20 ms, độ trễ giữa gói 2 và 3 là 40 ms, độ trễ giữa gói 3 và 4 là 5 ms, v.v. Người nhận các gói Voice này phải xử lý jitter, đảm bảo các gói có độ trễ ổn định nếu không bạn sẽ gặp phải chất lượng âm thanh kém.

Mất mát là lượng dữ liệu bị mất, thường được hiển thị dưới dạng phần trăm số gói bị mất được gửi. Nếu bạn gửi 100 gói và chỉ có 95 gói đến đích, bạn sẽ bị mất gói 5%. Mất gói tin luôn có thể xảy ra. Ví dụ: khi tắc nghẽn, các gói sẽ được xếp vào hàng đợi nhưng khi hàng đợi đầy… các gói sẽ bị loại bỏ. Với QoS, ít nhất chúng ta có thể quyết định gói nào sẽ bị loại bỏ khi điều này xảy ra.

Các ứng dụng cần tính năng QoS

Với tính năng QoS, chúng ta có thể thay đổi mạng của mình để kiểm soát lưu lượng truy cập nhất định được ưu tiên hơn lưu lượng truy cập khác về băng thông, độ trễ, jitter và mất mát gói tin. Tuy nhiên với mỗi ứng dụng khác nhau thì sẽ phải cấu hình QoS riêng biệt.

Ứng dụng hàng loạt

Ví dụ đơn giản nhất là việc bạn tải một file xuống từ Internet. Chắc hạn như tệp file có kích thước 103.92 Mb hoặc  byte. Hãy cùng xem các băng thông và độ trễ, Jitter và sự mất dữ liệu như thế nào khi tải tệp này xuống.

Một gói IP có kích thước 1500 Byte nếu không có tiêu đề IP và TCP thì còn lại 1460 Byte. Vậy tệp file này sẽ cần 108967472/1460= xấp xỉ 74635 gói IP để truyền tệp này sang máy tính của bạn.

Băng thông đủ lớn là điều quan trọng nhất. Nó sẽ quyết định xem việc tải File này xuống trong vài giây, vài phút hay vài giờ.

Về độ trễ không quan trọng lắm. Có độ trễ một chiều để truyền dữ liệu từ máy chủ đến máy tính của bạn. Khi bạn nhấp vào liên kết tải xuống, có thể mất một lúc trước khi quá trình tải xuống bắt đầu. Khi các gói được gửi đến, việc độ trễ là bao nhiêu hoặc sự thay đổi độ trễ (jitter) giữa các gói không thực sự quan trọng lắm. Bạn không tương tác với quá trình tải xuống mà chỉ đợi quá trình tải xuống hoàn tất.

Nếu xảy ra mất gói tin thì sao? Việc truyền tệp như thế này sử dụng TCP và khi có gói tin bị mất. TCP sẽ truyền lại dữ liệu của bạn và đảm bảo quá trình tải xuống hoàn tất.

Một ứng dụng giống như trình duyệt web của bạn tải xuống một tệp là một ứng dụng không tương tác, thường được gọi là ứng dụng hàng loạt hoặc truyền hàng loạt. Có băng thông là điều tuyệt vời vì nó giúp giảm thời gian chờ quá trình tải xuống hoàn tất. Độ trễ, jitter và mất mát không quan trọng lắm. Với QoS, bạn có thể chỉ định đủ băng thông cho các ứng dụng như thế này để đảm bảo quá trình tải xuống hoàn tất kịp thời và giảm mất gói đến mức tối thiểu nhằm ngăn chặn việc truyền lại.

Ứng dụng tương tác

Ví dụ điển hình cho việc sử dụng các ứng dụng tương tác là khi bạn sử dụng telnet hoặc SSH để truy cập bộ định tuyến hoặc bộ chuyển mạch của mình:

Các ứng dụng tương tác không yêu cầu cần nhiều băng thông nhưng lại rất nhạy cảm với độ trễ và mất gói tin. Vì bạn đang gõ lệnh và phải chờ phản hồi. Điều này thực sự rất khó chịu khi làm việc. Bạn đã từng truy cập bộ định tuyến thông qua liên kết vệ tinh bạn sẽ hiểu cảm giác ấy.

Các liên kết vệ tinh có thể có độ trễ một chiều trong khoảng 500-700 Mili giây. Nghĩa là khi bạn nhập vài ký tự sẽ có khoảng thời gian dừng trước khi bạn thấy các ký tự xuất hiện. Với QoS bạn có thể đảm bảo rằng khi xảy ra tình trạng nghẽn mạng thì các ứng dụng tương tác sẽ được phân phát trước các ứng dụng hàng loạt ngốn băng thông.

Ứng dụng thoại và Video

Các ứng dụng thoại (và video) là những ứng dụng “khó” nhất mà bạn có thể chạy trên mạng của mình vì nó rất nhạy cảm với độ trễ, độ giật và mất gói tin. Trước tiên, hãy xem tổng quan nhanh về cách thức hoạt động của VoIP:

Ở trên bạn có thể thấy rằng khi 1 một người đang nói. VoIP sử dụng Codec xử lý âm thanh Analog thành tín hiệu Digital. Âm thanh analog được số hóa trong một khoảng thời gian nhất định thường là 20 ms. Với codec G711, mỗi 20 ms âm thanh là 160 byte dữ liệu.

Sau đó, điện thoại sẽ tạo gói IP mới với tiêu đề UDP và RTP (Giao thức truyền tải thời gian thực), thêm dữ liệu giọng nói vào đó và chuyển tiếp gói IP đến đích. Tiêu đề IP, UDP và RTP thêm 40 byte chi phí nên gói IP sẽ có tổng cộng 200 byte.

Đối với một giây âm thanh, điện thoại sẽ tạo 50 gói IP. 50 gói IP * 200 byte = 10000 byte mỗi giây. Đó là 80 Kbps. Codec G.729 yêu cầu ít băng thông hơn (nhưng chất lượng âm thanh giảm) và chỉ yêu cầu khoảng 24 Kbps.

Băng thông không phải là vấn đề lớn đối với VoIP nhưng độ trễ thì có. Nếu bạn đang nói chuyện với ai đó qua điện thoại, chắc chắn là bạn muốn nó sẽ diễn ra theo thời gian thực. Nếu độ trễ quá cao, cuộc trò chuyện sẽ giống như cuộc trò chuyện qua bộ đàm mà bạn phải đợi vài giây trước khi nhận được câu trả lời.

Jitter là một vấn đề vì codec mong đợi một luồng gói IP ổn định với dữ liệu giọng nói mà nó phải chuyển đổi trở lại thành tín hiệu analog. Codec có thể hoạt động xung quanh hiện tượng jitter nhưng vẫn có những hạn chế.

Mất gói tin cũng là một vấn đề, mất quá nhiều gói và cuộc hội thoại của bạn sẽ có khoảng trống trong đó. Lưu lượng thoại trên mạng dữ liệu là có thể nhưng bạn sẽ cần QoS để đảm bảo có đủ băng thông và kiểm soát độ trễ, jitter và mất gói. Dưới đây là một số nguyên tắc bạn có thể làm theo đối với lưu lượng thoại:

• Độ trễ một chiều: < 150 ms.
• Độ giật: <30 ms.
• Mất: < 1%

Lưu lượng truy cập video (Tương tác) có các yêu cầu tương tự như lưu lượng thoại. Lưu lượng video yêu cầu nhiều băng thông hơn lưu lượng thoại nhưng điều này thực sự phụ thuộc vào codec và loại video bạn đang phát trực tuyến.

Ví dụ: nếu tôi quay video trên bảng điều khiển bộ định tuyến của mình thì 90% màn hình vẫn giữ nguyên. Hình nền vẫn giữ nguyên, chỉ có văn bản thỉnh thoảng thay đổi. Một video có nhiều hành động, chẳng hạn như video thể thao, cần nhiều băng thông hơn. Giống như lưu lượng thoại, lưu lượng video tương tác rất nhạy cảm với độ trễ, jitter và mất gói. Dưới đây là một số yêu cầu:

• Độ trễ một chiều: 200 – 400 ms.
• Độ giật: 30 – 50 ms.
• Mất: 0,1% – 1%

QoS hoạt động như thế nào?

Quality of Service (QoS) hoạt động bằng cách sử dụng một loạt các kỹ thuật và cơ chế để quản lý và cải thiện chất lượng của dịch vụ mạng. Cách QoS hoạt động có thể được tóm tắt như sau:

1. Phân loại dịch vụ: Đầu tiên, dịch vụ và ứng dụng mạng được phân loại dựa trên mức độ quan trọng và yêu cầu về chất lượng. Ví dụ, cuộc gọi video trực tiếp có thể được ưu tiên hơn so với tải xuống tệp thông thường.
2. Ưu tiên gói tin: Khi dữ liệu được truyền qua mạng, gói tin của các dịch vụ ưu tiên sẽ được đánh dấu hoặc ưu tiên hơn so với các gói tin của các dịch vụ không quan trọng. Điều này có thể thực hiện thông qua các trường đánh dấu trong tiêu đề gói tin.
3. Giới hạn băng thông: QoS có thể sử dụng cơ chế giới hạn băng thông để đảm bảo rằng một số dịch vụ không thể sử dụng quá nhiều tài nguyên mạng, từ đó đảm bảo rằng các dịch vụ quan trọng vẫn có đủ băng thông.
4. Cơ chế đặt hàng ưu tiên: QoS có thể sử dụng cơ chế đặt hàng ưu tiên để xác định thứ tự ưu tiên của các gói tin. Các gói tin quan trọng sẽ được xử lý trước, đảm bảo chúng không bị chậm trễ.
5. Quản lý tải: QoS cũng có thể quản lý tải trên mạng bằng cách kiểm soát số lượng dữ liệu được phép truyền trong một khoảng thời gian cụ thể. Điều này giúp tránh tình trạng quá tải mạng.
6. Theo dõi và đánh giá: Hệ thống QoS thường theo dõi và đánh giá hiệu suất mạng liên tục để đảm bảo rằng các thay đổi và cơ chế QoS vẫn hoạt động hiệu quả.

Tổng cộng, QoS được sử dụng để đảm bảo rằng các dịch vụ mạng quan trọng có thể hoạt động một cách mượt mà và ổn định, đồng thời ngăn chặn tình trạng quá tải và giúp tối ưu hóa sử dụng tài nguyên mạng.

Xem thêm các bài viết khác về tính năng trên Switch:

Các tính năng của Switch mạng

VLAN Trunk là gì? Tác dụng của cổng Trunk trên Switch

Khám phá chia VLAN là gì?

Tìm hiểu về giao thức mạng STP

Giao thức VTP là gì?

Giao thức ACL là gì?