Chất lượng dịch vụ mạng IP và các đề xuất áp dụng cho VNPT hà nội khi triển khai cung cấp các dịch vụ đa phương tiện trên nền IP

Ví dụ dịch vụ điện thoại, hội nghị truyền hình là một dịch vụ nhạy cảm với các thông số mạng IP-trễ, biến trễ, mất gói, trong khi đó các dịch vụ game online, truyền tín hiệu điều khiển

-

TRẦN HỮU HÂN

ĐỀ TÀI CHẤT LƯỢNG MẠNG DỊCH VỤ IP VÀ CÁC ĐỀ XUẤT ÁP DỤNG CHO VNPT HÀ NỘI KHI TRIỂN KHAI CUNG CẤP CÁC DỊCH

VỤ ĐA PHƯƠNG TIỆN TRÊN NỀN IP

Chuyên ngàng: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2012

Luận văn được hoàn thành tại:

Học viện công nghệ bưu chính viễn thông

Người hứng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TẤT ĐẮC

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Vào lúc: …… Giờ …… Ngày ……Tháng …… Năm……

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

MỞ ĐẦU

Công nghệ IP đã ra đời và phát triển chiếm lĩnh vị trí chủ đạo về công nghệ thông tin ngày nay Vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ trên nền công nghệ IP luôn là một yêu cầu cấp thiết cho các nhà khai thác mạng trên thế giới, đặc biệt khi triển khai đồng thời nhiều dịch

vụ trên cùng một nền tảng truyền dẫn IP, kết nối nhiều hệ thống mang tính toàn cầu

Chất lượng dịch vụ viễn thông, ngoài đề cập đến những yếu tố về chất lượng chăm sóc khách hàng không thể thiếu thì vấn đề về kỹ thuật là cốt yếu, các chỉ tiêu chất lượng kỹ thuật liên quan là nền tảng Mỗi một dịch vụ viễn thông, đòi hỏi những đáp ứng từ mạng lưới hạ tầng kỹ thuật một mức độ chất lượng kỹ thuật khác nhau Ví dụ dịch

vụ điện thoại, hội nghị truyền hình là một dịch vụ nhạy cảm với các thông số mạng IP-trễ, biến trễ, mất gói, trong khi đó các dịch vụ game online, truyền tín hiệu điều khiển là những dịch vụ yêu cầu thấp hơn, truyền dữ liệu, xem phim ảnh, chat, SMS là những dịch vụ chỉ yêu cầu

độ tin cậy dữ liệu truyền dẫn mà ít đòi hỏi khắt khe với trễ hay biến trễ Với các dịch vụ web, nghe nhạc, xem phim trên Internet thì có yêu cầu thấp nhất về trễ và biến trễ…

Hệ thống mạng công nghệ IP có nhiều đặc điểm có tính chất phức tạp hơn nhiều lần so với công nghệ cũ, cho phép hoàn toàn tự động cặp nhật bảng định tuyến, gói tin đi trong mạng hoàn toàn có thể

bị trễ, nghẽn và bị hủy nếu không có những cơ chế đặc biệt để hỗ trợ, nhiều nguy cơ bị tấn công phá hoại…Việc chuyển đổi mạng từ TDM sang IP và việc triển khai nhiều loại hình dịch vụ trên cùng một cơ sở

hạ tầng mạng IP là một thách thức không nhỏ với các nhà kỹ thuật và khai thác mạng viễn thông trên toàn thế giới

Trong bối cảnh như vậy, đề tài đã chọn hướng nghiên cứu làm rõ những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ trên nền IP để từ đó đưa ra những khuyến nghị phù hợp đối với mạng VNPT Hà Nội trong quá trình chuyển dịch công nghệ và triển khai các dịch vụ đa phương tiện trên nền IP, đảm bảo cung cấp ra thị trường Thủ đô những dịch

vụ có chất lượng cao, duy trì, nâng cao uy tín đẳng cấp thương hiệu cho VNPT, VNPT Hà Nội

Nội dung của luận văn bao gồm 3 chương, gồm:

Chương 1 với tiêu đề “Tổng quan về công nghệ IP”, chương này trình bày các vấn đề cơ bản của Internet và công nghệ IP

Chương 2 với tiêu đề “Chất lượng dịch vụ trên nền IP”, chương này trình bày những ảnh hưởng từ vấn đề xử lý tín, nén hiệu nguồn, ảnh hưởng của các giao thức truyền tải IP chủ yếu, ảnh hưởng từ vấn

đề truyền dẫn đa dịch vụ, các ảnh hưởng bởi vấn đề an ninh bảo mật đến chất lượng dịch vụ và các biện pháp cải thiện, nâng cao chất lượng dịch vụ

Chương 3 với tiêu đề “Đề xuất ứng dụng đối với mạng VNPT Hà Nội”, chương này trình bày hiện trạng mạng lưới và các đề xuất đối với mạng viễn thông của VNPT Hà Nội khi nâng cấp chuyển đổi sang

IP và triển khai cung cấp đa dịch vụ trên IP

Cuối luận văn là “Kết luận” đánh giá kết quả nghiên cứu đã đạt được và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IP

1.1 GIỚI THIỆU CÔNG NGNHỆ IP

1.1.1 Mạng Internet

Trình bày lịch sử ra đời của Internet, mô hình TCP/IP so sánh với mô hình mở OSI

1.1.2 Giao thức liên mạng IP (Internet Protocol)

Trình bày nguyên lý, nhấn mạnh ưu điểm của giao thức liên mạng IP và trình bày xu hướng chuyển đổi, hội tụ tất yếu tới mạng thống nhất all-IP

Phần này cũng trình bày cấu trúc địa chỉ IPv4 và IPv6, qua đó cũng nhấn mạnh xu hướng thay thế v4 bằng v6 trong tương lai Ngoài

ra còn trình bày một số giải pháp kỹ thuật đặc trưng như giải pháp tên miền DNS, giải pháp biên dịch địa chỉ IP giữa địa chỉ mạng riêng

và địa chỉ công cộng để mở rộng vùng địa chỉ cho những nhu cầu riêng Trình bày về dịch vụ mạng riêng ảo là công cụ để mở rộng phạm vi địa lý của một mạng LAN trên mạng Internet công cộng mà không bị hạn chế trong phạm vi tòa nhà

Chương này đã trình bày việc phân loại dịch vụ theo yêu cầu về chất lượng dịch vụ làm tiền đề cho các phần sau đi vào trình bày từng yếu tố ảnh hưởng cụ thể

1.1.2.1 Giải pháp tên miền

1.1.2.2 Giải pháp biên dịch địa chỉ IP

1.1.2.3 Mạng riêng ảo

1.1.2.4 Cấu trúc gói tin Ipv4

1.1.2.5 Cấu trúc gói tin Ipv6\

1.1.2.6 Chuyển đổi IPv4 tới IPv6

1.2 CÁC DỊCH VỤ CƠ BẢN, ĐA PHƯƠNG TIỆN TRÊN NỀN IP

1.3 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề tổng quan của công nghệ IP từ đó đã làm nổi bật những điểm chính cũng như các ưu điểm của công nghệ Luận văn đã đưa ra xem xét đánh giá công nghệ

IP trong mô hình tổng quan OSI Luận văn cũng đã nghiên cứu những giải pháp cơ bản để chuyển đổi địa chỉ IP và tên miền, các giải pháp

mở rộng khối địa chỉ nhờ sự tái sử dụng địa chỉ mạng riêng, mạng riêng ảo thông qua kênh riêng ảo hoặc phương án chuyển đổi địa chỉ công cộng NAT trên cơ sở đặc thù sử dụng dịch vụ giữa các máy tính trong mạng LAN là chính và nhu cầu truy xuất ra mạng có địa chỉ IP công cộng là không nhiều Luận văn đưa ra các phân tích về xu thế phát triển công nghệ tất yếu của IP đồng thời phân tích những hạn chế của phiên bản địa chỉ Ipv4 phân tích những thế mạnh của Ipv6, những phân tích về giải pháp tháo gỡ cho thiết bị và công nghệ trong quá trình chuyển đổi từ Ipv4 sang Ipv6 Dựa vào bảng phân bổ chỉ tiêu kỹ thuật khuyến nghị bởi ITU-Y.1541, luận văn đã nhấn mạnh đến yêu cầu về chất lượng mạng lưới IP khác nhau đối với từng dịch

vụ đặc trưng, tùy theo độ nhạy cảm với các thông số chất lượng dịch

vụ trễ, biến trễ, mất gói Cuối chương, luận văn đã làm rõ xu hướng tất yếu chuyển đổi công nghệ cũ sang all IP

Nghiên cứu tổng quan về mạng Internet, công nghệ IP cho

ta thấy bức tranh tổng thể sự thành công bước đầu và sức mạnh vũ

bão của một công nghệ mới sẽ còn phát triển rất nhanh trong thời gian tới Mặc dù vậy vẫn tồn tại một khó khăn trong việc tích hợp các dịch vụ thành một mạng chung cơ sở hạ tầng vật lý đảm bảo chất lượng dịch vụ đồng thời tối ưu được chi phí đầu tư mới, tận dụng cơ

sở hạ tầng mạng truyền thống Trong chương kế tiếp, những vấn đề

về chất lượng dịch vụ liên quan sẽ được nghiên cứu và trình bày

Chương 2 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN NỀN IP

2.1 ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ XỬ LÝ, NÉN TÍN HIỆU VẤN ĐỀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ

2.1.1 Đánh giá chất lượng dịch vụ điện thoại

Phần này trình bày việc thang điểm đánh giá chất lượng dịch vụ điện thoại bằng cảm quan MOS sử dụng làm tiêu chuẩn đo chất lượng dịch vụ thoại

2.1.2 Phương pháp đánh giá chất lượng thoại theo mô hình E

Thông qua nghiên cứu phương pháp mô hình E để làm nổi bật lên các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ điện thoại, chất lượng dịch vụ này vốn có độ nhạy cảm cao nhất với các đặc tính truyền tin của mạng chuyển mạch gói IP có thể nghiên cứu làm đại diện cho các dịch vụ khác

Nội dung trình bày sự khác nhau về chất lượng dịch vụ thoại của các chuẩn mã hóa khác nhau để từ đó có sự lựa chọn công nghệ phù hợp

2.1.3 Công nghệ xử lý, nén tín hiệu điện thoại

2.1.3.1 Tín hiệu tiếng nói trên dịch vụ điện thoại

Phần này trình bày các vấn đề chất lượng trong quá trình xử lý nén tín hiệu thoại

2.1.3.2 Âm thanh, âm nhạc trong các ứng dụng multimedia

Phần này trình bày sự khác biệt trong tần số lấy mẫu tín hiệu âm

nhạc trong các ứng dụng nghe nhìn để nâng cao chất lựợng dịch vụ, trình bày và nhận xét một số ứng dụng nén tín hiệu để rút gọn dung lượng tệp nhờ vào đặc tính cảm thụ âm của tai người như MP3, AAC

2.1.4 Xử lý, nén tín hiệu hình ảnh ứng dụng cho các dịch vụ IPTV, VIDEO

Phần này trình bày một số đặc điểm cơ bản của 02 chuẩn nén hình ảnh là MPEG2 và MPEG4, trong đó MPEG2 có các tính chất mã hóa điểm ảnh còn MPEG4 mã hóa đối tượng Từ đó thấy được các đặc điểm quan hệ giữa chất lượng hình ảnh với các yếu tố ảnh hưởng như SNR và tốc độ bít đối với MPEG2 tuy nhiên tốc độ dòng bít nói chung còn cao, chuẩn SD là 3,2Mbps và HD là 15Mbps Đối với MPEG4 thực hiện mã hóa đối tượng và do đó đã tối ưu được tốc độ dòng bít, chuẩn

SD còn 2Mbps và HD còn 9Mbps và có rất nhiều lợi thế về tính năng tương tác khi điều khiển được các đối tượng hình ảnh mã hóa riêng

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA GIAO THỨC TRUYỀN TẢI IP CHỦ YẾU, CÁC BIỆN PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 2.2.1 Tầng giao vận

2.2.1.1 TCP (Transmission Control Protocol-Giao thức điều khiển truyền dẫn) Phần này trình bày những nguyên lý cơ bản “nhiều thủ tục” của giao thức TCP cũng là một trong các nguyên nhân gây ra trễ gói tin trong quá trình truyền dẫn, đặc biệt sẽ ảnh hưởng nếu áp dụng cho các dịch vụ yêu cầu thời gian thực như điện thoại

Hình 2.10: Thủ tục xác nhận kèm theo thông tin về cửa sổ

2.2.1.2 UDP (User Datagram Protocol- Giao thức dữ liệu người dùng)

Phần này mô tả có tính chất so sánh với TCP để thấy tính chất đáp ứng thời gian thực của UDP vì không còn các thủ tục phức tạp, tuy nhiên áp dụng sẽ rất hiệu quả đối với các gói tin ngắn như DNS, các ứng dụng nghe nhìn stream media, VOIP

Phần này trình bày một số phương pháp chủ yếu như RSVP để

dự trữ băng thông trước cho phiên truyền, RTP để đảm bảo truyền đáp ứng thời gian thực

2.2.2 Tầng Liên kết mạng IP (Internet Protocol)

Phần này trình bày nguyên tắc truyền tin best-effort của tâng liên kết mạng IP, trình bày khuôn dạng gói IPv4, đặc biệt nhấn mạnh

ở trường phân loại dịch vụ Differentiated Services (DS) lên đến 64 giá trị khác nhau làm cơ sở cho các thiết chế đảm bảo chất lượng dịch vụ Hình 2.13 mô tả trường TOS trong gói tin Ipv4

Hình 2.13: Cấu trúc trường TOS trong gói tin Ipv4

2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TÍCH HỢP

ĐA DỊCH VỤ; CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 2.3.1 Các yêu cầu truyền tải

Mô tả mức độ yêu cầu chất lượng của môi trường truyền tải tương ứng các dịch vụ theo khuyến nghị ITU-T Y 1541

2.3.2 Ảnh hưởng của quá trình truyền dẫn tín hiệu tích hợp đa dịch vụ

Những thông số ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ trên mạng ip là: Băng thông, độ trễ, biến động trễ, mất gói, tỉ lệ lỗi, tính sẵn sàng,

độ bảo mật Trong quá trình truyền dẫn tích hợp các dịch vụ trên cùng một cơ sở hạ tầng mạng thì những dịch vụ khác nhau thường có những yêu cầu khác nhau về các thông số đó nhưng chịu chung một năng lực mạng có giới hạn do vậy ngoài việc lựa chọn phương pháp

mã hóa, nén tín hiệu để đảm bảo chất lượng và giảm băng thông yêu cầu thì cần thực hiện tối ưu hóa đường dẫn gói tin để giảm trễ và hạn chế biến trễ, đồng thời cũng giảm được việc mất gói do bị hủy…

Khi truyền dẫn đồng thời nhiều loại hình dịch vụ khác nhau trên một cơ sở hạ tầng mạng IP thì cần phải có những chính sách đối xử phù hợp với yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau, đặc biệt các dịch

vụ nhạy cảm với delay và jitter như dịch vụ thoại

bộ nhớ đệm phát trong các tình huống mạng có trễ, biến trễ, tổn thất

Hình 2.15: Tối ưu mạng có trễ và biến trễ bằng điều chỉnh bộ đệm

phát

Hình 2.16: Tối ưu mạng có biến trễ và tổn thất bằng điều chỉnh bộ đệm

phát

2.3.3.2 Phân lớp lưu lượng

Phân lớp lưu lượng ở mức lớp mạng: Trình bày việc khai thác 6 bít DSCP để mở rộng loại dịch vụ thay vì chỉ 3 bít như IPP, phân loại lưu lượng theo loại dịch vụ làm cơ sở cho việc đảm bảo QoS

Hình 2.17: Cấu trúc trường IP Precedence Phân lớp lưu lượng ở mức lớp liên kết dữ liệu

Phần này trình bày một số phương pháp phổ biến để phân loại lưu lượng ở lớp liên kết Ethernet như chia theo VLAN và dùng bít phân loại ra 8 mức ưu tiên lưu lượng khác nhau theo chuẩn 802.1Q/P như mô tả ở hình vẽ 2.18

Hình 2.18: Khuôn dạng nhãn trong gói Ethernet

Phần này cũng trình bày về việc mở rộng khả năng quản lý các loại lưu lượng theo loại dịch vụ đồng thời theo từng thuê bao khác nhau nhờ vào việc mở rộng VLAN thông qua hình thức chập đôi double theo chuẩn 802.1QinQ như hình vẽ 2.19

Hình 2.19: Khuôn dạng gói tin trong trường hợp 1Q và QinQ

2.3.2.2 Tối ưu đường đi gói tin

2.3.2.3 Một số phương pháp quản lý băng thông, điều khiển lưu lượng Phương pháp Quản lý băng thông tĩnh

Điều khiển lưu lượng vào (Admission Control)

Giải thuật thùng đựng thẻ

Giải thuật CAR (Committed Access Rate)

Cơ chế phân phối lưu lượng ra (Scheduling Algorithms)

Quản lý băng thông động

2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA VẤN ĐỀ AN NINH BẢO MẬT, CÁC BIỆN PHÁP GIẢI QUYẾT

Một số phương pháp giải quyết

Phần này trình bày về các nguy cơ mất anh toàn, an ninh mạng

và phương pháp xử lý

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Để đi sâu nghiên cứu chất lượng dịch vụ trên nền IP, trong chương này, luận văn đã ưu tiên nghiên cứu một dịch vụ cơ bản rất

nhạy cảm với chất lượng mạng, đó là dịch vụ điện thoại Luận văn đã nghiên cứu một phương án đo kiểm đánh giá chất lượng điện thoại –

mô hình E (ITU-G.107) để từ đó làm rõ các thông số nhiễu, suy hao, trễ, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ điện thoại, thang điểm đánh giá MOS, quy đổi thang điểm R sang MOS Luận văn đã nghiên cứu quá trình xử lý tín hiệu ban đầu để làm rõ những yếu tố thuộc về mặt công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ khó có thể khắc phục được như hiện tượng chồng phổ (hiện tượng răng cưa), tốc độ đáp ứng cổng

ra của thiết bị Luận văn có khảo sát các kết quả thống kê và so sánh chất lượng dịch vụ do các chuẩn xử lý tín hiệu khác nhau đem lại để

từ đó làm rõ quan hệ giữa chi phí đầu tư cũng như mức độ chất lượng dịch vụ mong muốn Đối với việc nén và truyền dẫn tín hiệu âm thanh,

âm nhạc, luận văn đã đi sâu nghiên cứu một số chuẩn nén cơ bản như MP3, AAC là các chuẩn nén đang rất phổ biến, nhờ vào đặc tính cảm quan của tai người để thực hiện các phương án nén nhờ đó mà tốc độ bít giảm đáng kể trong khi vẫn đảm bảo được chất lượng dịch vụ ở mức chấp nhận được Việc áp dụng các chuẩn nén đã xử lý được vấn

đề kích thước tập tin lớn chiếm dụng băng thông lớn cũng như chiếm dụng nhiều không gian nhớ, đây là yếu tố làm suy giảm chất lượng dịch vụ đối mới hạ tầng kỹ thuật mạng còn non trẻ Tuy nhiên đồng thời với việc làm lợi về băng thông nhưng luận văn cũng nghiên cứu

để chỉ ra vấn đề trễ trong mỗi quá trình xử lý tín hiệu âm thanh, so sánh với các quá trình không nén khác để phân biệt về chất lượng dịch vụ Với những nghiên cứu tương tự về tín hiệu VIDEO, IPTIVI, luận văn đã nghiên cứu so sánh giữa hai chuẩn MPEG2 và MPEG4 H264, là hai chuẩn phổ biến cho các ứng dụng nén kỹ thuật số cho các