Đặc tính hóa chất lượng dịch vụ trong bối cảnh NGN

Mục tiêu cơ bản của hầu hết các dự án triển khai mạng NGN đều hướng tới việc xây dựng theo cả chiều sâu và bề rộng, cơ sở hạ tầng mạng tích hợp truyền tải dịch vụ đa phương tiện và ứng d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

CHU THỊ NGỌC QUỲNH

ĐẶC TÍNH HÓA CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

TRONG BỐI CẢNH NGN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Ngọc San

HÀ NỘI-2011

LỜI MỞ ĐẦU Phát triển cơ sở hạ tầng mạng thế hệ sau (Next Generation Network – NGN) là xu hướng chủ đạo trong giai đoạn hiện nay của các nhà cung cấp dịch vụ mạng viễn thông trên thế giới và của Việt Nam Mục tiêu cơ bản của hầu hết các dự án triển khai mạng NGN đều hướng tới việc xây dựng (theo cả chiều sâu và bề rộng), cơ sở hạ tầng mạng tích hợp truyền tải dịch vụ

đa phương tiện và ứng dụng thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến (mở rộng lĩnh vực dịch vụ, làm giàu hoá nội dung số), đồng thời áp dụng giải pháp cần thiết để khai thác tối đa tiềm năng

cơ sở hạ tầng viễn thông hiện có Về bản chất mạng NGN trong giai đoạn trước mắt không sử dụng một giải pháp công nghệ thuần nhất mà là giải pháp mạng tích hợp, liên kết các cơ sở hạ tầng mạng dựa trên công nghệ mới với cơ sở hạ tầng mạng hiện có, sao cho chúng phối hợp, cung cấp dịch vụ một cách thông suốt, đáp ứng yêu cầu về chất lượng dịch vụ QoS

Mục đích nghiên cứu trình bày trong luận văn này nhằm giải quyết một “khía cạnh nhỏ” trong một mục tiêu dài hạn là “đưa vấn đề quản lý và đảm bảo QoS vào bài toán điều khiển theo quỹ đạo” Mục tiêu trước mắt trong bài toán điều khiển này là “xác định vị trí (tọa độ) của điểm chất luợng dịch vụ trong không gian cấu thành bởi các tham số phản ánh hàm QoS, đảm bảo bởi nhà cung cấp dịch vụ đối với khách hàng”, đây chính là mục đích nghiên cứu được trình bày trong luận văn

Nhiệm vụ cụ thể nhằm thực hiện mục đích trên bao gồm:

1) Tìm kiếm các phương pháp phân tích chất lượng dịch vụ QoS phù hợp, trên cơ sở đó

mô tả sát thực các tham số đặc trưng cho QoS

2) Thực hiện phân tích QoS trên các dịch vụ cụ thể trong mạng NGN

Trên cơ sở lý thuyết, cách phân tích cụ thể, những nhiệm vụ nghiên cứu đề ra đã được thực hiện và có kết quả sau:

+ Đưa ra được chế độ danh định (phân nhóm) cho các dịch vụ trong mạng NGN

+ Định hướng xem xét những dịch vụ mới trên cơ sở bài toán bền vững

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoS GIỮA

NHÀ CUNG CẤP VÀ KHÁCH HÀNG

1.1 Giới thiệu

Chất lượng dịch vụ liên quan tới việc ứng dụng các chuẩn thiết kế, lựa chọn các giao thức phù hợp, xác định cấu trúc mạng, các phương pháp nhận dạng, lựa chọn công nghệ xây dựng mạng, thiết kế quản lý nút bộ đệm, xem xét để đảm bảo rằng các tham số chất lượng như:

sự tắc nghẽn, độ sẵn sàng, trễ, biến đổi trễ (jitter), thông lượng, độ suy hao, sự tin cậy,… không vượt quá khoảng thời gian dịch vụ được đáp ứng và lưu lượng tải giữa hai điểm bất kì đã chọn trong mạng.Chất lượng dịch vụ trong mạng NGN là một vấn đề phức tạp do: các ứng dụng NGN yêu cầu chất lượng khác nhau, giao thức IP không đáp ứng được tính nhất quán về chất lượng các ứng dụng Tính đa dạng trên một tuyến end-to-end như hỗ trợ nhiều mức QoS khác nhau tại các điểm đầu cuối, hỗ trợ nhiều loại QoS trong truyền tải và có nhiều nhà cung cấp khác nhau

1.2 Tổng quan về mạng NGN

NGN là một mạng trên cơ sở gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông và có khả năng sử dụng các công nghệ truyền tải đảm bảo QoS, băng thông rộng và trong đó các chức năng liên quan đến dịch vụ là độc lập với các công nghệ liên quan đến truyền tải bên dưới Nó cho phép người dùng truy nhập mạng không giới hạn và truy nhập tới những nhà cung cấp dịch

vụ cạnh tranh trên thị trường hoặc các dịch vụ mà họ lựa chọn NGN hỗ trợ khả năng di động cho phép người dùng có thể sử dụng dịch vụ tại nhiều nơi

Mạng NGN có khả năng hỗ trợ cho các công nghệ đa truy nhập và các cấu hình mạng khác nhau Theo Y.2011 phân lớp chức năng của mạng NGN bao gồm các chức năng tầng dịch

vụ và các chức năng tầng truyền tải

Other Networks

Service Control Functions

Transport stratum Service stratum

Control Media

Transport User Profiles

Application/Service Support Functions

Third Party Applications

Resource and Admission Control Functions

Network Attachment Control Functions

Network Attachment Control Functions

Transport Functions

NNI UNI

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quan của NGN

1.2.1 Các khối chức năng trong tầng truyền tải

Các khối chức năng trong tầng truyền tải bao gồm:

- Khối các chức năng truyền tải: Các khối chức năng truyền tải có khả năng hỗ trợ cho việc truyền tải thông tin truyền thông cũng như thông tin điều khiển và quản lý

- Khối chức năng truy nhập mạng: Khối chức năng truy nhập mạng có nhiệm vụ kiểm soát người sử dụng truy nhập mạng cũng như thu thập và kết hợp lưu lượng truy nhập để đưa tới mạng lõi Khối chức năng truy nhập mạng cũng thực hiện các cơ chế kiểm soát QoS có liên quan trực tiếp đến lưu lượng người sử dụng, bao gồm cả quản lý bộ đệm, hàng đợi và sắp xếp, lọc gói tin, phân loại lưu lượng, đánh dấu, kiểm soát và định hướng

Truy nhập vào mạng NGN bằng các hình thức sau:

• Truy nhập cáp

• Truy nhập xDSL

• Truy nhập vô tuyến (ví dụ như công nghệ IEEE 802.11 và 802.16, và truy nhập RAN cho mạng 3G)

- Khối chức năng biên:sử dụng để xử lý môi trường truyền thông và xử lý lưu lượng khi lưu lượng đến từ các mạng truy nhập khác nhau được tập hợp lại và hợp nhất trong mạng truyền tải lõi

- Khối chức năng truyền tải lõi:có nhiệm vụ bảo đảm cho thông tin truyền tải qua mạng lõi Các chức năng trong khối chức năng truyền tải lõi có các cơ chế QoS xử lý trực tiếp lưu lượng người sử dụng

- Khối chức năng cổng:

- Khối chức năng kiểm soát môi trường truyền thông

- Khối các chức năng kiểm soát truyền tải

1.2.2 Khối các chức năng tầng dịch vụ

Khối các chức năng tầng dịch vụ bao gồm:

- Khối các chức năng điều khiển dịch vụ: bao gồm cả điều khiển phiên và không phiên, đăng kí, chức năng xác thực và cấp phép ở cấp dịch vụ

- Khối các chức năng hỗ trợ ứng dụng/dịch vụ: bao gồm cả các chức năng như chức năng cổng, đăng kí, nhận thực và cấp phép ở cấp ứng dụng

- Khối các chức năng liên quan đến profile người sử dụng dịch vụ:là sự kết hợp của thông tin người sử dụng và dữ liệu điều khiển khác thành khối chức năng profile người sử dụng

ở tầng dịch vụ, được thể hiện dưới dạng cơ sở dữ liệu chức năng

1.2.3 Khối các chức năng liên quan đến người sử dụng cuối

1.2.4 Khối chức năngg quản lý

Điểm cơ bản trong hoạt động của mạng NGN đó là hỗ trợ quản lý Các chức năng này tạo khả năng quản lý mạng NGN để các dịch vụ NGN được cung cấp với chất lượng, mức độ bảo mật và độ tin cậy mong muốn

1.3 Khái niệm chất lượng dịch vụ

1.3.1 Các khái niệm cơ bản

Chất lượng dịch vụ QoS được hiểu và diễn tả theo nhiều cách khác nhau Có thể khái quát như sau:

- Đối với lớp ứng dụng: Chất lượng dịch vụ QoS được sử dụng để phản ánh “mức độ

dịch vụ - Grade of Service” Mức độ dịch vụ này, rất khó được định lượng chính xác, chủ yếu dựa vào đánh giá của con người về mức độ hài lòng đối với dịch vụ đó

- Đối với lớp truyền tải: Chất lượng dịch vụ được thực hiện bởi phương pháp “định

tuyến QoS- QoS routing”, tìm đường thông trên mạng tùy thuộc vào các yêu cầu về chất lượng dịch vụ

- Đối với lớp mạng: Chất lượng dịch vụ được biểu diễn thông qua các đại lượng toán

học như: tỷ số, giá trị trung bình, giá trị lớn nhất… của các tham số như trễ, mất gói tin, giá… của luồng gói/tế bào

1.3.2 Các quan điểm về chất lượng dịch vụ

Theo khuyến nghị G.1000 của ITU-T có bốn quan điểm về chất lượng dịch vụ:

- Yêu cầu của khách hàng về chất lượng dịch vụ

- QoS được cung cấp bởi nhà cung cấp dịch vụ

- QoS được đề xuất bởi nhà cung cấp dịch vụ

- QoS được cảm nhận bởi khách hàng

1.4 Các thông số phản ánh chất lượng dịch vụ

1.4.1 Băng thông

1.4.2 Độ trễ - Delay

1.4.3 Độ biến thiên trễ - Delay variation/jitter

1.4.4 Mất gói – Packet loss

1.4.5 Độ khả dụng

1.4.6 Bảo mật

1.5 Đặc tính hóa chất lượng dịch vụ

1.5.1 Các lớp QoS từ đầu cuối đến đầu cuối

Các lớp dịch vụ có liên quan tới khả năng của QoS end-to-end, nghĩa là năng lực của một mạng phân phối các dịch vụ cần thiết bằng lưu lượng mạng cụ thể từ đầu cuối tới đầu cuối

- Best – effort Service: Còn gọi là sự thiếu hụt QoS hay dịch vụ “nỗ lực tối đa” là một kết nối cơ bản mà không có sự đảm bảo về QoS Nguyên tắc FiFo của hàng đợi là đặc tính đặc trưng nhất, đó là đặc tính không có sự phân biệt giữa các luồng

- Differentiated service: còn gọi là QoS mềm Một vài lưu lượng được xử lý một cách tốt hơn so với phần còn lại (xử lý nhanh hơn, băng thông trung bình rộng hơn, và tỉ lệ tổn thất trung bình thấp hơn) Đó là một sự ưu tiên về mặt thống kê, chứ không phải sự đảm bảo tức thời và chắc chắn Điều này được thực hiện thông qua sự phân loại lưu lượng và sử dụng các công cụ QoS như: PQ, CQ, WFQ…

- Guaranteed service: còn gọi là QoS cứng Đó là một sự đảm bảo tuyệt đối tài nguyên mạng cho lưu lượng cụ thể thông qua các công cụ QoS như RSVP và CB-WFQ

Hình 1.3: Ba lớp QoS từ đầu cuối đến đầu cuối

1.5.2 Chất lượng dịch vụ trong NGN

* QoS trong mạng NGN: xét chất lượng dịch vụ từ đầu cuối đến đầu cuối

Best effort service

Differentiated service

Guarantred service

Lưu lượng IP không cần đảm bảo QoS

Một phần lưu lượng được xử lý tốt hơn phần còn lại

Một số ứng dụng cụ thể yêu cầu các tài nguyên mạng đặc trưng

Networks

Best effort

Differentiated

Guarantred

Hình 1.4 QoS trong mạng NGN

- QoS mạng truy nhập: chất lượng dịch vụ trong mạng truy nhập (từ thiết bị đầu cuối đến cổng nối vào mạng xương sống (backbone) Như vậy chất lượng dịch vụ của mạng này liên quan đến QoS của mạng Metro/Gigabit Ethernet, QoS của mạng XDSL/HFC, QoS của WLAN, QoS của di động

- QoS mạng:

+ QoS của mạng xương sống: chất lượng dịch vụ này lại bao gồm chất lượng dịch vụ giữa các node trong mạng xương sống Chất lượng dịch vụ này liên quan đến chất lượng dịch vụ của mạng MPLS/GMPLS, IP over WDM, IP over ATM

+ QoS của các mạng ở lớp cung cấp dịch vụ: chất lượng dịch vụ của mạng từ mạng xương sống đến mạng cung cấp dịch vụ

* Kiến trúc QoS:

Edge Edge

Mạng xương sống

ISP

Tổ chức kinh doanh

Hữu tuyến

Vô tuyến Host

QoS từ đầu cuối đến đầu cuối

QoS mạng QoS mạng QoS mạng truy nhập

node node

Kiến trúc QoS liên quan đến: đặc tính kĩ thuật của QoS, các cơ chế QoS, kĩ thuật lưu lượng, quản lý mạng và các giao thức hỗ trợ QoS

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG BỐI CẢNH NGN

2.1 Giới thiệu

Mạng thế hệ mới NGN được xây dựng và phát triển dựa vào cơ sở mạng gói IP Tuy rằng, ngoài các dịch truyền thống như thoại, dữ liệu, video, còn có nhiều dịch vụ giá trị gia tăng trên nền mạng diện rộng Các thuật toán sử dụng để phân tích chất lượng các dịch vụ gồm: Lý thuyết xác suất, quá trình ngẫu nhiên, lý thuyết sắp hàng Áp dụng các thuật toán này để phân tích chất lượng các dịch vụ trong phần hai của chương Từ đó đưa ra các chỉ tiêu chất lượng áp dụng đối với từng loại dịch vụ

2.2 Các phương pháp phân tích chất lượng dịch vụ QoS

System process delay (Speed)

Throughput delay (latency)

Throughput delay

- Các cuộc gọi đến hay các cuộc gọi đến ngẫu nhiên tại hệ thống kênh trung kế được giả thiết như một quá trình Poisson

- Thời gian cuộc gọi chiếm giữ được phân bố theo hàm mũ

- Đó là một số hữu hạn của các kênh khả dụng trong kênh trung kế

- Trong hệ thống với các cuộc gọi bị chặn đồng nghĩa với việc cuộc gọi đó bị xóa

B

K L N

L P

]0

k

K N

N B

K

L N

L N L

L delay

P

P

2.2.2 Phân phối chuẩn Gauss và phân phối poisson

2.2.2.1 Phân phối chuẩn (Quá trình Gauss)

a Biến ngẫu nhiên vô hướng Gauss được mô tả bằng hàm pdf sau:

1)

(

x x x

x

x x

Trong đó  xvà  xlà kí hiệu giá trị trung bình và phương sai của biến x

b Quá trình Gauss nhiều biến:

Thay x bằng x = [x(m0), x(m1), x(m2), …, x(mp-1)]T, có µx = [[x(m0)], [x(m1)], …

[x(mp-1)]]T, hiệp phương sai được xác định bởi:

1 0

1

1 1 1

1 0

1

1 0 1

0 0

0

,

, )

, (

, ,

,

, ,

p p xx p

xx p

xx

p xx

xx xx

p xx

xx xx

xx

m m c m

m c m m c

m m c m

m c m

m c

m m c m

m c m m c

x

 và trong trạng thái s1 có  x,1, phương sai 2

1 ,

x

 , khi đó pdf của x(m) được định nghĩa toán học:

, ,

)(exp2

1)

i x i

2.2.2.2 Phân phối Poisson

Phân phối Poisson là một phân phối rời rạc, nó khác với phân phối rời rạc ở chỗ thông tin cho biết không phải là xác suất để một biến cố xảy ra thành công

Biến ngẫu nhiên X nhận các giá trị k 0,1,2, với hàm khối lượng xác suất

!

k X

2.2.3 Quá trình ngẫu nhiên

2.2.3.1 Định nghĩa quá trình ngẫu nhiên

2.2.3.2 CDF và PDF của một quá trình ngẫu nhiên

Quá trình ngẫu nhiên x(t),CDF của x(t) là một hàm của thời gian t được viết như sau :

x t x

P t x

PDF của x(t) là vi phân của CDF Ta có công thức sau :

),(),(

x

t x F t x f





2.2.3.3 Đặc tính thống kê của một quá trình ngẫu nhiên

Đặc tính thống kê của 1 quá trình ngẫu nhiên x(t) cung cấp 1 khung làm việc đối với các nhà điều tra của một quá trình ngẫu nhiên:

i Xác định vấn đề làm thế nào thu thập dữ liệu

ii Xác định khi nào phải ngừng thu thập dữ liệu…tức là có bao nhiêu dữ liệu

là đủ

2.2.3.4 Các tín hiệu thống kê

a Các tín hiệu thống kê một chiều

- Có hai quá trình thống kê x(t), y(t), thì hàm tương quan giữa chúng theo nghĩa chung được định nghĩa như sau:

x t y t dxdy f

t y t x t

Khi y = x, có R xy() R xx(), hàm đó là hàm tự tương quan ACF

b Các tín hiệu thống kê nhiều chiều

Khái niệm nhiều chiều được hiểu hoặc một quá trình thống kê của nhiều hơn một biến

số hoặc có nhiều hơn hai quá trình thống kê

Hàm tương quan giữa hai quá trình thống kê nhiều chiều theo nghĩa có nhiều hơn một biến số x(t,s,z), y(t,s,z) được định nghĩa như sau :

Ba quá trình x(t), y(t), z(t), hàm tương quan chung giữa chúng được định nghĩa theo hàm mật độ xác suất f.;.;. :

      t y t z t f x t y t z t dxdydz x

t t t

2.3 Phân tích các dịch vụ cụ thể

2.3.1 Chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng đa phương tiện

Chất lượng dịch vụ của các dịch vụ này được đặc trưng bởi các chỉ số chất lượng KPI Mỗi KPI là một giá trị đo lường nhằm xác định yêu cầu chất lượng dịch vụ và đánh giá hiệu năng mạng KPI được phân loại theo hai dịch vụ quan trọng:

+ Đo lường end-to-end (hoặc phép đo người dùng cuối): cung cấp một sự đánh giá của hiệu suất mạng như cảm nhận của người dùng cuối

+ Đo lường mạng: liên quan đến việc quản lý mạng và giám sát trạng thái của hệ thống trong suốt quá trình dịch vụ được sử dụng

2.3.1.1 Các tham số hệ số truyền gói IP

Các tham số hệ số truyền gói IP bao gồm các tham số sau :

+ Trễ truyền gói tin IP (IPTD)

+ Độ trễ truyền gói IP trung bình

+Biến đổi độ trễ gói IP (IPDV)

+ Tỷ lệ suy hao gói tin IP (IPLR)

+ Tỷ lệ tạp âm nhiễu gói tin IP (SIPR)

+ Độ lệch

2.3.1.2 Các tham số dịch vụ IP sẵn sàng