BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------NGUYỄN TRUNG KIÊN GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN QoS NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN DỮ LIỆU THỜI GIAN THỰC TRÊN MẠNG VIỄN T
BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN QoS TRÊN MẠNG FMC
Giới thiệu
Định tuyến QoS (QoSR) là bộ phận cấu thành của kiến trúc hỗ trợ QoS vốn rất phức tạp trên mạng FMC Hình 1-1 minh h a quan h ọ ệ giữa Q R, Q oS oS và FMC
Hình 1-1: Quan h ệgiữa mạng FMC, QoS v Qà oSR
Trong chương này phần đầu tác giả trình bày một số khái niệm và thuật ngữ cơ bản sử dụng trong luận án, tiếp theo tác gi ả phát biểu bài toán định tuyến QoS trên mạng FMC, sau khi phân tích một số phương pháp tiếp cận bài toán này gần đây tác giả đưa ra lựa chọn phương pháp tiếp cận của mình, phần cuối là tóm lược các nội dung của chương
1.2 M s ột ố khái niệm à v thu ật ngữ
Mạng IP: Mạng chuy mển ạch ói d g ựatrên giao thức lớp mạng à l giao th ức
IP (Internet Protocol) v à đƣợc ử ụng s d phổbiến n mtrê ạng Int net hi nay er ện
Mạng NGN: L thu à ậtngữ ch chung cho th h mỉ ế ệ ạng Viễn th ng th h tiếp ô ế ệ theo (Next Generation Network), lấy mạng IP làm mạng truy t v ền ải à kiến trúc đƣợc thi k theo nguyết ế ên tắc lớp đ ều i khiển/dịch ụ độc lập vớ ạ ầng v i h t truyền tải [19]
Mạng FMC: Mạng ội ụ ố định h t c , di động(Fixed Mobile Conv gence) [5]er ,
[14] [20] l giai o , à đ ạn phát tri cao cển ủa mạng NGN [21], ở đó c s tó ự ích h ợp thêm ph mobile, wireless v lần à ớp truy nhập cho ph truy nh ép ập không h ạn chế đến ác d c ịch ụ của m v ạng
Dịch vụ/ứng dụng trên mạng FMC: Mạng FMC l mà ạng a dđ ịch ụ cho v phép các dịch ụ truyền v thông hiện c n mó trê ạng Viễn th ng/ Int net hi ô er ện nay: Tho , truy hại ền ình, ph anh i khi , y t t xa, giát th , đ ều ển ế ừ ám s t xa, át ừ mail, web C dác ịch ụ này v đƣợc phân thành m s ột ố nhóm dịch ụ v nh : ƣ VPN - Dịch vụ mạng riêng ảo (Virtual Private Network), VoIP- Dịch vụ thoại trên giao thức IP gồm c tho cả ại ố định à v di động (Voice Ov IP), er IPTV - Dịch vụ truyền hình trên mạng IP (IP Television) v HSI - à Dịch vụ Internet tốc độ cao (High Speed Int net) er
Chất lượng dịch vụ (QoS): Ở nghĩa rộng, chất lượng dịch vụ (QoS) là mức độ hài lòng hay thoả mãn của người sử dụng đối với dịch vụ, trong định nghĩa này, ấ ƣợng ịchch t l d vụ bao hàm c ả vấn đề kỹ thuật cũng nhƣ phi kỹ thuật nh marketing, hậu mãi Trong lu ƣ ận án chỉ ét đến góc độ kỹ thuật: x chất lượng dịch vụ là tập hợp các yêu cầu kỹ thuật cần được thỏa mãn bởi cơ sở hạ tầng mạng và dịch vụ đối với dịch vụ được cung cấp T ài liệu [10],
[37] giới thi tệu ổng quan v ềchất ƣợng ịch ụ ê l d v tr n mạng
Chất lượng mạng: Các dịch vụ ê tr n mạng NGN/FMC đều đƣợc â x y dựng trên mạng truyền ải t IP nên chất lượng dịch vụ kế thừa mức hất lượng c mạng (bi ểu diễn ởi ác b c thông số Q oS mạng nhƣ: B ng th ng, tr , m gă ô ễ ất ói, độ tin cậy) đồng thời bổ sung các thông số đặc trưng của dịch vụ đó(ví ụ d : thông s ốthời gian thi l ết ậpcuộc ọi đối ới ịch ụ thoại VoIP ch g v d v ẳng ạn h ) Định tuyến: L à việc ìm t đường đ i tr n m c ê ột ấutrúc topo thỏa m i ãn đ ều kiện cho trước, chẳng ạn ìm h t đường đ i ng ắn nhất trên đồ thị Định tuy c ến ấu thành ừ t hai b phận chức n ng l ộ ă à Giao thức định tuyến (thu th ập thông tin) v àThuật toán định tuyến (tìm đường n th ng tin thu trê ô được) C ác giải thu ật tìm đường ổi n tiếngtrên đồ thịnhư D kstra, Bellman F d [82]ij or Định tuyến c ó thể bao g m ồ định tuyến ĩnht (thi l ết ập trước) hoặc định tuyến động (thay đổi theo từng êu c c y ầu ụ thể) Định tuyến cũng c ó thể ó ở ớp c l ứng dụng (thường à định l tuyến tĩnh í ụ định, v d tuyến cuộc ọi g tho khai báo n h ại trê ệ thống đ iều khiển nh Softswitch/IMS), lƣ ở ớp mạng (định tuy IP) v g ến à ần đây định tuyến c th mức thấp h n (nh ó ể ở ơ ƣ định tuyến quang lở ớp v l ) ật ý Định tuy n Bế est ffort: ĐịE nh tuy n B t- fort (BE) ế es ef ám chỉ việ ìm c t đường đi tr n m ng Int net hi n nay, l ê ạ er ệ à định tuyến thu c l p mạng - ộ ớ IP M c tiụ êu định tuyến BE tìm là đường đi thỏa m mãn ột ràng buộ à ìm c l t đường ngắn nhất (hay s hop trố ên đường i tđ ìm được l à ít nhất) C giao th c ác ứ định tuy n BE ph ế ổ biến nhƣ RIP, OSPF Định tuy n QoS: ế Việc tìm đường i ph i đ ả thỏa m ãn nhiề đ ều i u kiện ràng buộ đồc ng thời (tr , m t gễ ấ ói, b ng th ng, ă ô giá thành ) Định tuy n QoS ế thường là định tuyến động, th c hi n l p m ng v i khi cự ệ ở ớ ạ à đô ở ác l p ớ thấp h n (V d l p V t l hay Li n k t d u trong mi n truy nh p ơ í ụ ở ớ ậ ý ê ế ữ liệ ề ậ không d y châ ẳng h n T u [11] ạ ) àiliệ phâ ích ácn t c tham s Q ố oS khác nhau c óthể ử s dụng trong định tuyến Q oS Định tuy n Q lế oS m t ph n trong các à ộ ầ giải pháp h Q hỗtrợ oSđể ƣớng n c đế ơchếthỏa thu n ậ chấ ƣợngt l dịch vụ (SLA) [58]
Cơ chế ỏ th a thu n chậ ất lượng d ch v SLA: C ị ụ ơchế cung c p dấ ịch vụ Vi n ễ thông theo m c ứ thỏa thu n ch t l ng v ậ ấ ƣợ à đƣợ đề ậc c p kh chi ti t trong b á ế ộ t u c a t ài liệ ủ ổchức TMF [27] Nh cung c p dà ấ ịch vụ ó ể ó c th c các m c ch t ứ ấ lƣợng khác nhau i v i cđố ớ ùng dịch vụ, khách àng ử ụ h s d ng m c ch t l ng ứ ấ ƣợ n s ào ẽ chỉ phải c c trả ƣớ phí ƣơ t ng ứng với m c đó Đây l c ứ à ơchế cung c p ấ m c à ácnhà cung c p dấ ịch vụ ũ c ng nhƣ khách àng đề h u mong mu n hố ƣớng đến nh tuyếĐị n Q loS m t trong s các k thu t h à ộ ố ỹ ậ ỗ trợ ƣớng n h đế giải pháp ng c p dcu ấ ịch vụ theo SLA
Tham số QoS: L cà ác tham số c tó ínhkhả ă n ng định ƣợng đƣợc để l diễn tả đặc trưng về chất lượng của dịch vụ và thường được sử dụng trong các cam kết SLA Các tham số QoS đƣợc chia làm 3 loạ i: Cộng (Additive), Nhân(Multiplicative) Mvà in(Concave):
Ký hiệu là thw am số QoS tổng quát và w(i,j) là tham số QoS trên tuyến i,j ứng với trường hợp bài toán định tuyến QoS chỉ có ột tham số QoS Gọi m P=(i,j,k, , u,v) là một đường đi trên cấu trúc mạng G(N,E,m) trong đó i, j, , u,v là các nút dọc theo Gọi l(P)P là độ dài đường đi P thì tham số QoS w đƣợc gọi là:
– có tính chất cộng nếu l(P)= w(i, j)+w(j, k)+ + w(u,v);
– có tính chất nhân nếu l(P)=w(i,j)*w(j,k)* *w(u,v);
– có tính chất Min nếu l(P) = min{w(i,j),w(j,k), , w(u,v)}
Thông số QoS: Thông số QoS ứng với tham số QoS nào đó là giá trị của tham số QoS đó tại thời điểm xét Chẳng hạn, tại thời điểm t 1 băng thông c l n tuy òn ạitrê ến (u,v) là 1 kbps, t ạithời đ ểm t i 2giá n l l trị ày ại à 2, 2 1 Thông s Q ố oS trên mạng ƣờng th biến đổi theo trạng thái mạng, một s tham ố s Q ố oS biến đổi nhanh nh b ng th ng, m sƣ ă ô ột ố tham s Q ố oSít biến đổinhƣ trễ
Tham số định tuyến QoS: l t hà ập ợp các tham số Q oS đƣợc ựa l chọn ử s dụng trong b ài toán định tuyến QoS Tùy mục u b tiê ài toán ần c giải quyết thì ộ b tham s nố ày c ó thể khác nhau Chẳng ạn h giải pháp định tuyến Q oS nhằm mục tiêu s dử ụng t u t nguy n bối ƣ ài ê ăng th ng th ô ìchỉ ử ụng s d tham s ố băng thông và số hop.
Tính thời gian thực của ứng dụng trên FMC: Các ứng dụng truyền thông khác nhau c ó thể ó đòi ỏi c h giới ạn ề h v thời gian truyền tin t nguồn ừ đến đích Các ứng dụng cho phép thời gian trễ càng nhỏ thì ó ính c t thời gian thực càng cao (v d i khi , y t t xa), ngí ụ đ ều ển ế ừ ƣợc ại ác l c ứng ụng d ít hoặc không c y u c c ó ê ầu ố định ề v thời gian truyền nhận (nh Web) th c tƣ ì ó ính thời gian th ực ấp (hay BE) Rth àng buộc ề trễ v L trễ cho bi mết ức độ yêu c ầu tính thời gian th cao hay th ực ấp (ví ụ ịch d d vụ VoIP cho phép trễ 150ms, hay L trễ 0ms) Trong lu ận án, khái niệm thời gian thực được sử dụng mang tính hàm ý đến các yêu cầu chất lượng dịch vụ cao về ràng buộc tham số trễ Tuy nhi n, ê các giải pháp định tuyến QoS trong luận án đề cập bao trùm hơn, ngh l ĩa à không ch cho c phi n y u c ỉ ác ê ê ầu thời gian th cao m ực à cho c c c phi n c yác á ê ó êu c ầu độ tin cậy cao, m g ất óithấp v.v, yêu cầu thời gian thực chỉ là một trường hợp đặc biệt trong tổng thể ác êu c c y ầu liên quan đến định tuy Q ến oSđề cập đến trong luận án ày n
Nhà cung cấp dịch vụ: Đây là đối tƣợng thiết lập mạng ổ t chức cung cấp, khai thác dịch ụ v FMC Trong thực tế người ta c th ph n chia ó ể â đối ượng t này thành Nhà cung cấp cơ sở hạ tầng mạng, Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng, Nhà cung cấp dịch vụ gia tăng Nhà khai thác Trong lu , ận án, sự phân biệt này không mang nhi nều ý ghĩa ề ỹ v k thu n n t ật ê ác giả ọi g chung l àNhà cung cấp dịch vụ
Khách hàng sử dụng dịch vụ: Là đối tƣợng ử s dụng c dác ịch ụ v do mạng
FMC c ủa nhà cung cấp dịch ụ FMC v đƣa ra nh : tho ƣ ại trên IP (VoIP), Internet t ốc độ cao (HSI) m, ạng ê ri ng ảo (VPN) truy, ền hình n IP (IPTV), trê di động
1.3 Phát biểu ài toán oS b Q R tr n mê ạng FMC
Cho một ấu c trúc mạng G (N, E, m) trong l s đóN à ố đỉnh, l s cE à ố ạnh à v m l s à ốtham s Q ố oS Hình 1-2 l v d minh h G(6,8,3): à í ụ ọa j i s u d v
Hình 1-2: Ví dụ minh họa cấu trúc hình học của bài toán QoSR G( 6, 8,
Phát biểu bài toán QoSR trên mạng FMC
số trễ Tuy nhi n, ê các giải pháp định tuyến QoS trong luận án đề cập bao trùm hơn, ngh l ĩa à không ch cho c phi n y u c ỉ ác ê ê ầu thời gian th cao m ực à cho c c c phi n c yác á ê ó êu c ầu độ tin cậy cao, m g ất óithấp v.v, yêu cầu thời gian thực chỉ là một trường hợp đặc biệt trong tổng thể ác êu c c y ầu liên quan đến định tuy Q ến oSđề cập đến trong luận án ày n
Nhà cung cấp dịch vụ: Đây là đối tƣợng thiết lập mạng ổ t chức cung cấp, khai thác dịch ụ v FMC Trong thực tế người ta c th ph n chia ó ể â đối ượng t này thành Nhà cung cấp cơ sở hạ tầng mạng, Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng, Nhà cung cấp dịch vụ gia tăng Nhà khai thác Trong lu , ận án, sự phân biệt này không mang nhi nều ý ghĩa ề ỹ v k thu n n t ật ê ác giả ọi g chung l àNhà cung cấp dịch vụ
Khách hàng sử dụng dịch vụ: Là đối tƣợng ử s dụng c dác ịch ụ v do mạng
FMC c ủa nhà cung cấp dịch ụ FMC v đƣa ra nh : tho ƣ ại trên IP (VoIP), Internet t ốc độ cao (HSI) m, ạng ê ri ng ảo (VPN) truy, ền hình n IP (IPTV), trê di động
1.3 Phát biểu ài toán oS b Q R tr n mê ạng FMC
Cho một ấu c trúc mạng G (N, E, m) trong l s đóN à ố đỉnh, l s cE à ố ạnh à v m l s à ốtham s Q ố oS Hình 1-2 l v d minh h G(6,8,3): à í ụ ọa j i s u d v
Hình 1-2: Ví dụ minh họa cấu trúc hình học của bài toán QoSR G( 6, 8,
3) Mỗi đỉnh biểu diễn một nút mạng có chức năng định tuyến ỗi cạnh là M một tuyến (link) kết nối giữa 2 nút mạng (u, v) b t k ấ ỳ đƣợc bi u di n b i ể ễ ở một vector tham s QoS: m ố v u v u v u v u l l l l m ,
(1.1) Gọi độ dài đường đi nối 2 điểm bất kỳ trên P G(N, E, m) là l(P), ở đây l(P) cũng có dạng vetor:
Gọi L là ập t các àng buộc r ứng v i m tham s QoS ớ ố được biểu diễn dưới d ng m t vector ạ ộ :
Bài toán định tuyến QoS được phát biểu như sau: Tìm đường đi P t nguồn ừ s đến đích d trên cấu trúc G(N, E, m) sao cho độ dài đường đi P là thỏa mãn các biểu th c sau: ứ
V i ớ L MIN là các ràng buộc với tham số QoS dạng Min và LAddlà tập các ràng buộc với các tham số dạng cộng
Dướ góc độ ứi ng d ngụ , bài toán QoSR được đặt trong môi trường ụ c th ể trong luận án này bài toán được đặt trong một môi trường đặc trưng là m ng h i t c ạ ộ ụ ố định di động FMC
1.3.2 Vai trò của bài toán QoSR trên mạng FMC Định tuyến QoS là chức năng cần thiết và quan trọng trong mỗi nút mạng trên mạng FMC Nó là chức năng thuộc mặt phẳng điều khiển trong mỗi thiết bị mạng (hình 3-4) và đóng va trò nhƣ bộ não của các thiết bị định i tuyến Các nút mạng, khi đóng vai trò nút nguồn (s) nhận đƣợc yêu cầu thiế t lập phiên truyền dữ liệu đến đích ( ) d từ các dịch vụ/ứng dụng sẽ thực hiện tuần tự các bước: (1) Tìm đường đi (routing) cho cặp (s, d); (2) Thiết lập giành đường đi (reservation) và (3) hân phát gói theo đường đi ( P data forwarding) Sự cần thiết của chức năng định tuyến thể hiện ở chỗ: mạng liên tục thay đổi đường đi trên mạng giữa các cặp nguồn đích cũng cần thay , đổi theo phụ thuộc vào tình trạng của mạng và định tuyến QoS cần chỉ ra đường đi trên một đối tượng mạng luôn biến động này Định tuyến QoS cũng đóng vai trò rất quan trọng vì:
– QoSR tìm ra đường đi thỏa mãn yêu cầu ràng buộc/tối ưu từ ứng dụng/dịch vụ, các ràng buộc và mục tiêu tối ƣu thay đổi theo từng phiên Nếu không tìm được đường đi thích hợp thì khâu thiết lập đường đi cũng như phân phát dữ liệu sau đó không thể đảm bảo chất lƣợng dịch vụ
– Kết quả của định tuyến QoS là tìm ra đường đi cho phép đưa lưu lượng mới vào mạng, các lưu lượng này ảnh hưởng trực tiếp lên tài nguyên mạng hiện có, nếu tìm đường sai (ví dụ chọn phải đường đi qua tuyến/nút bị nghẽn) có thể làm cho tình trạng mạng xấu đi ảnh hưởng đến các phiên liên lạc QoS khác
1.3.3 Đặc trƣng và các mục tiêu cụ thể của bài toán
Môi trường đặc trưng được xem xét trong kh ôn khổ luận án là môi trường u mạng FMC, một số đặc trƣng tiêu biểu nhƣ:
– Mạng có kích thước luôn thay đổi,
– Trạng thái mạng biến động nhanh,
– Nhiều mạng với công nghệ và nhà quản trị khác nhau,
– Phương thức truy nhập đa dạng
Mạng FMC đƣợc t ổ chức để cung c p d ch vấ ị ụ cho khách hàng, hai đối tƣợng tham gia trong quá trình cung c p d ch v ấ ị ụ trên FMC là Nhà cung cấp d ch vị ụ và Khách hàng Trong ng cữ ảnh này có thể nhìn thấy các đối tƣợng mà QoSR sẽphả hướng đếi n tho ả mãn hai đối tƣợng trên
Các mục tiêu của QoSR hướng đến thỏa mãn yêu cầu của hai đối tượng Người sử dụng và Nhà cung cấp dịch vụ đã đƣợc chỉ ra trong tài liệu các yêu cầu chung của QoSR [81] :
– Mục tiêu thứ nhất: Thoả mãn các ràng buộc là các giới hạn thông số QoS (ví dụ băng thông > 2Mbps, trễ < 150ms, mất gói 200 kbps Trễ 2) v g l b à ọi à àitoán MCP Bài toán tìm nghiệm thỏa m ãn đa ràng buộc, tối ưu (MCOP) l à trường ợp h đặc biệt ủa MCP l t c đó à ìm nghiệm ối ƣ t u khi b ài toán MCP c ó nhiều nghiệm MCP v MCOP à đã đƣợc chứng minh là NP-Complete, đây là dạng phức tạp nhất của giải thuật định tuyến
Tuy đƣợc phân làm 3 loại tham số theo tính chất là Cộng Nhân, và Min nhƣng do tham số dạng Nhân có thể chuyển về dạng Cộng theo phép biến đổi Logarit [30] nên thực sự chỉ còn lại hai dạng tham số trong bài toán QoSR là Cộngvà Min
Thông thường, yêu cầu ràng buộc với tham số dạng MIN (L MIN ) được sử dụng để giản lược cấu trúc mạng (prune) d n tựatrê ínhchất ủa n , c ó chỉ ần c m ột phép so sánh đơ n gi ản giữa thông s cố ủa tuy ến l(u,v) MIN t ại thời đ ểm i tìm đường ới tập r v àngbuộc dạng MIN là L MIN , nếu l(u,v)MIN < LMIN, (ở đây (l(u,v))MIN và LMIN tương ứng là hai vector tham số dạng MIN có trong bài toán QoSR biểu diễn bởi các công thức 1.2 và 1.3 trang 12) thì tuyến (u,v) đƣợc loại khỏi ấu trúc do kh ng th m i c ô ỏa ãn đ ều kiện àng r buộc ấu trúc , c mạng còn lại sau khi lƣợc chỉ còn tham số dạng cộng
Ví dụ: Cho c ấu trúc ạng m G(6,8 ),3 hình 1-5, th ng s Q m tuy ô ố oS ỗi ến đƣợc biểu diễn ởi vect 3 tham s l ( b or ố à băng thông, trễ giá thành, ) Tìm đường từ s đến d sao cho: Băng thông ≥ 2Mbps, Delay < 10ms Cost < 3$ , ?
(6,1,1) (2,1,3) j {b ng thô ă ng, trễ, gi á th ành } s d
Hình 1-5: Cấu trúc mạng í ụ v d ban đầu
Sử dụng kỹ thuật giản lƣợc ạng m dựa trên tham số băng thông để ạlo i đi các tuyến có băng thông