Nghiên cứu các phương pháp phân luồng dựa trên tốc độ vào phân luồng max min và khả năng ứng dụng vào mạng đa dịch vụ NGN

Thực tế thường thấy rằng tài nguyên của mạng là có hạn và do vậy nếu không có các biện pháp để kiểm soát và điều khiển luồng dữ liệu sẽ dẫn đến làm giảm khả năng phục vụ của mạng làm cho

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

ĐỖ VĂN LONG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LUỒNG DỰA TRÊN TỐC ĐỘ VÀO – PHÂN LUỒNG MAX - MIN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO MẠNG ĐA DỊCH VỤ NGN

Chuyên ngành: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH

Mã số: 60.48.15

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2013

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ NGỌC PHÀN

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

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Chúng ta đang sống trong thời đại công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ Người ta đang nói đến một nền kinh tế tri thức , một chính phủ điện tử, một siêu xa lộ thông tin, văn phòng ảo,… Nhu cầu viễn thông đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu trong đời sống xã hội bởi những lợi ích và hiệu quả mà nó mang lại cho cuộc sống của chúng ta Chính vì vậy mà viễn thông đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy các ngành kinh tế khác phát triển

Nhu cầu trao đổi thông tin, quản lý,… ngày càng đa dạng và phong phú về hình thức (như thoại, hình ảnh, văn bản,…) với những đòi hỏi chất lượng dịch vụ ngày càng cao trong khi các thiết bị phục vụ là có hạn Nếu không có các biện pháp để nâng cao khả năng phục vụ của mạng, cũng như chiến lược cấp phát tài nguyên hợp lý sẽ dẫn đến tình trạng ùn tắc, thậm chí rã mạng Để tránh các nguy cơ này cần có các biện pháp, cơ chế để kiểm soát và điều khiển luồng thông tin truyền trong mạng Đặc biệt trong mạng đa dịch vụ, với những đặc điểm như yêu cầu truyền

dữ liệu tốc độ cao, khả năng chia sẻ và dùng chung nguồn tài nguyên có hạn của mạng có thể là nguyên nhân gây tắc nghẽn mạng Do vậy cần phải đặc biệt quan tâm đến vần

đề kiểm soát, điều khiển luồng mạng để xây dựng mô hình quản lý, điều khiển luồng một cách hợp lý nhằm khai thác

có hiệu quả khả năng và tài nguyên của mạng nhưng vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ

Mặt khác cũng phải thấy rằng việc truyền thông tin nói chung cũng như dữ liệu nói riêng trong mạng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như khả năng và chiến lược cấp phát tài nguyên của mạng (đường truyền, dung lượng bộ nhớ đệm tại các nút mạng…) Thực tế thường thấy rằng tài nguyên của mạng là có hạn và do vậy nếu không có các biện pháp để kiểm soát và điều khiển luồng dữ liệu sẽ dẫn đến làm giảm khả năng phục vụ của mạng làm cho mạng luôn quá tải không đáp ứng được chất lượng dịch vụ yêu

cầu Với đề tài "Nghiên cứu các phương pháp phân luồng

dựa trên tốc độ vào - phân luồng max-min và khả năng

ứng dụng vào mạng đa dịch vụ NGN", luận văn này muốn

đi sâu tìm hiểu những giải pháp làm sao vừa khai thác tối

đa tài nguyên mạng vừa đảm bảo thỏa mãn những yêu cầu

QoS của người sử dụng

Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương sau:

Chương I: Tổng quan về mạng đa dịch vụ và điều khiển phân luồng

Chương II: Các phương pháp điều khiển phân luồng dựa trên tốc độ vào – điều khiển phân luồng max- min

Chương III: Ứng dụng thuật toán điều khiển phân luồng max-min vào mạng đa dịch vụ NGN

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài nhằm tìm hiểu những giải pháp phân luồng cho mạng đa dịch vụ để đạt hiệu quả khai thác tốt nhất tài nguyên mạng đồng thời thỏa mãn được những yêu cầu chất lượng của từng dịch vụ khác nhau, có khả năng ngăn ngừa và chống tắc nghẽn mạng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Có nhiều cấu hình mạng đa dịch vụ Trong luận văn này tập trung vào vấn đề phân luồng trên mạng NGN

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các tài liệu khoa học đã công bố trong và

ngoài nước, các giáo trình giảng dạy của các trường, các tài liệu lưu hành nội bộ, các ý kiến của các thầy và các chuyên gia

Phân tích và tổng hợp các kiến thức thu được

PHẦN II: NỘI DUNG Chương I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG ĐA DỊCH VỤ

VÀ ĐIỀU KHIỂN LUỒNG 1.1 Khái quát về mạng đa dịch vụ

1.1.1 Tổng quan về mạng viễn thông

Thông tin liên lạc đóng vai trò hết sức quan trọng trong cuộc sống, hầu hết cuộc sống của chúng ta luôn gắn liền với một dạng trao đổi thông tin nào đó Các dạng trao đổi thông tin thường gặp như: đàm thoại, đọc sách, gửi và nhận thư, xem phim, v.v có rất nhiều dạng khác nhau về trao đổi thông tin liên lạc, trong đó thông tin số liệu là một phần rất quan trọng

1.1.1.1 Chức năng mạng viễn thông

1.1.1.2 Các thành phần trong mạng viễn thông

1.1.2 Khái niệm mạng đa dịch vụ

Hệ thống mạng viễn thông hiện tại có rất nhiều nhược điểm

Đứng trước tình hình phát triển của mạng viễn thông hiện nay, các nhà khai thác nhận thấy rằng “sự hội

tụ giữa mạng PSTN và mạng PSDN” là chắc chắn xảy ra

Họ cần có một cơ sở hạ tầng duy nhất cung cấp cho mọi dịch vụ (tương tự - số, băng hẹp - băng rộng, cơ bản - đa phương tiện,…) để việc quản lý tập trung, giảm chi phí bảo dưỡng và vận hành, đồng thời hỗ trợ các dịch vụ của mạng hiện nay và từ đó một mạng tích hợp được các yêu cầu trên được ra đời và gọi là mạng đa dịch vụ

1.2 Yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS)

Chất lượng dịch vụ (QoS) là một thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Hiểu một cách đơn giản QoS là các cơ chế, công cụ đảm bảo cho các mức dịch vụ khác nhau thỏa mãn các tiêu chuẩn về băng thông và thời gian trễ cần thiết cho một ứng dụng đặc biệt nào đó

Sự phát triển nhanh của các dịch vụ dữ liệu đòi hỏi

có một sự chuyển biến trong việc xây dựng, quản lý và khai thác mạng Có thể nói sự ra đời của mạng thế hệ mới NGN sẽ thoả mãn được yêu cầu tăng trưởng nhanh của lưu lượng dữ liệu và cả lưu lượng thoại trong thời gian tới Trong chương này Tôi sẽ phân tích tổng quan về các đặc

điểm và kiến trúc mạng NGN cũng như các tham số đánh giá chất lượng dịch vụ mạng

 Sử dụng công nghệ chuyển mạch mềm thay thế các thiết bị tổng đài chuyển mạch phần cứng cồng kềnh

 Nhiều mạng thông minh được phân bố trên toàn mạng

 Dễ dàng sử dụng

 Quản lý và chế tạo các dịch vụ cá nhân

 Quản lý thông tin thông minh

1.3.3 Kiến trúc dịch vụ của mạng thế hệ mới

Mạng thế hệ sau được tổ chức dựa trên các nguyên tắc cơ bản sau:

 Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú, đa dạng, đa dịch vụ, đa phương tiện

 Mạng có cấu trúc đơn giản

 Nâng cao hiệu quả sử dụng chất lượng mạng lưới và giảm thiểu chi phí khai thác và bảo dưỡng

 Dễ dàng mở rộng dung lượng, phát triển các dịch vụ mới

 Độ linh hoạt và tính sẵn sàng cao của mạng

1.3.4 Dịch vụ trong mạng NGN

Mạng thế hệ mới NGN là bước kế tiếp của thế giới viễn thông, có thể được hiểu là mạng dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, khả năng điều khiển thông minh dịch vụ hoặc cuộc gọi Khả năng điều khiển thông minh này thường hỗ trợ cho tất cả các loại dịch vụ trên mạng truyền thông

- Bản tin hợp nhất (Unified Messaging)

1.3.6 Các tham số đánh giá chất lượng mạng

Như đã phân tích ở trên, mạng NGN là mạng hạ tầng thông tin dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, nên việc đánh giá chất lượng mạng chủ yếu dựa trên yêu cầu chất lượng (QoS) trên mạng

1.4 Các phương pháp điều khiển phân luồng

1.4.1 Tổng quan về điều khiển luồng

Điều khiển luồng là kỹ thuật nhằm bảo đảm cho trạm thu không bị tràn dữ liệu do trạm phát gửi dữ liệu nhanh hơn tốc độ mà trạm thu có thể tiếp nhận

1.4.1.1 Mục đích của điều khiển luồng

1.4.1.2 Tính công bằng

1.4.2 Các phương pháp điều khiển luồng cửa sổ

Phương pháp điều khiển luồng theo cửa sổ trượt là

phương pháp được sử dụng phổ biến nhất ở thời điểm hiện tại

1.4.2.1 Cửa sổ End-to-End

Như phần trên đã nói, phương pháp điều khiển luồng theo cửa sổ dựa trên cơ sở phương pháp cửa sổ trượt ARQ làm việc tại lớp liên kết dữ liệu

- Tốc độ phát cực đại trong cửa sổ end to end

- Cơ chế điều khiển luồng bằng của sổ

1.4.2.2 Hop-by-Hop

Trong cơ chế điều khiển luồng hop-by-hop, việc điều khiển luồng được thực hiện giữa hai nút mạng kế tiếp trên đường truyền Mỗi nút mạng có các cửa sổ độc lập dùng cho các kênh làm việc khác nhau (kênh ảo)

1.4.2.3 Phương pháp Isarithmic

Phương pháp điều khiển luồng Isarithmic được xem như một phiên bản của điều khiển luồng bằng cửa sổ

do đó có một cửa sổ chung duy nhất cho toàn mạng

1.4.3 Phương pháp điều khiển luồng dựa trên tốc độ vào

Tôi sẽ phân tích kỹ phương pháp này trong chương

II

1.5 Tổng kết chương

Vấn đề quan tâm nhiều trong hoạt động của mạng viễn thông là hiệu suất khai thác, hiệu quả kinh tế và sự cạnh tranh Các dịch vụ mạng ngày càng phát triển rất nhanh chóng với những yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) ngày càng cao, do đó việc xây dựng mô hình NGN là hợp với nhu cầu của thời đại NGN là mạng thế hệ mới Vì vậy khi xây dựng và phát triển theo hướng NGN ngoài vấn đề kết nối NGN với mạng hiện hành thì chúng ta cần chú trọng trong việc điều khiển phân luồng để tận dụng các thiết bị viễn thông hiện có trên mạng nhằm đạt được hiệu quả khai thác tối đa

Chương II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LUỒNG DỰA TRÊN TỐC ĐỘ VÀO – ĐIỀU KHIỂN

PHÂN LUỒNG MAX-MIN 2.1 Tổng quan về phương pháp điều khiển luồng dựa trên tốc độ vào

2.1.1 Giới thiệu chung

Như đã chỉ ra trong phần trước, khó khăn của phương pháp điều khiển luồng bằng cửa sổ có kích thước

cố định là độ trễ trung bình của mỗi gói tăng tỉ lệ với các

quá trình điều khiển luồng Vì vậy chúng ta sẽ xem xét vấn đề điều khiển luồng dựa trên cơ sở điều chỉnh tốc độ vào

2.1.2.Mục đích của điều khiển luồng dựa trên tốc độ vào

Mục đích của điều khiển luồng dựa trên tốc độ vào cũng giống như mục đích của các điều khiển phân luồng

khác:

- Tối ưu hóa thông lượng sử dụng của mạng

- Giảm trễ gói khi đi qua mạng

- Đảm bảo tính công bằng cho việc trao đổi thông tin trên mạng

2.2.2 Tính công bằng về mặt băng truyền

Tính công bằng về mặt băng truyền thể hiện ở khả năng chia sẻ băng truyền công bằng cho tất cả người dùng hoặc kết nối

2.2.3 Tính công bằng về mặt bộ đệm

Tính công bằng về mặt bộ đệm là khả năng đảm bảo việc sử dụng bộ đệm của các người dùng, các ứng dụng hay kết nối là công bằng

2.3 Các phương pháp điều khiển luồng dựa trên điều chỉnh tốc độ vào

2.3.1 Kết hợp định tuyến tối ưu và điều khiển luồng

Chúng ta sẽ xem xét khả năng kết hợp định tuyến

và điều khiển luồng end-to-end trong mạng subnet bởi việc điều chỉnh thích nghi cả định tuyến biến thiên và các tốc độ vào môi trường nguồn đích (OD) Trường hợp đặc biệt xảy ra khi định tuyến cố định và chỉ có tốc độ vào thay đổi - một vấn đề của điều khiển luồng thuần tuý

2.3.2 Các tốc độ vào trong môi trường động

Phương pháp này dựa vào một số thuật toán điều khiển luồng để xác định tốc độ r và khoảng thời gian bộ đệm được khôi phục lại sau khi nhận vào một gói, trong

khi đó điều khiển luồng thông thường, khoảng thời gian này được xác định bởi điều kiện lưu lượng hiện thời dọc theo đường dẫn của phiên

2.4 Điều khiển luồng Max-min

Việc sử dụng tài nguyên mạng hiệu quả nhất có thể trong khi vẫn có thể đảm bảo được tính công bằng cho các kết nối được thực hiện bởi cơ chế điều khiển luồng cực đại – cực tiểu (max–min flow control) Cơ chế này được xây dựng trên mô hình công bằng cực đại – cực tiểu (max-min fairness)

2.4.1 Nguyên tắc của điều khiển phân luồng max-min

Ở đây chúng ta có thể hiểu một cách đơn giản rằng: người có đòi hỏi ít nhất về tài nguyên luôn luôn được đáp ứng trước những người khác

2.4.2 Một số quy ước và định nghĩa

2.4.3 Thuật toán điều khiển luồng max – min

Bước 1: Khởi tạo tất cả các kết nối với tốc độ = 0 Bước 2: Tăng tốc độ của tất cả các kết nối với một

lượng nhỏ bằng nhau δ , lặp lại quá trình này cho đến khi tồn tại các liên kết có tổng băng thông đạt đến giá trị băng thông cực đại (Fa = Ca)

 Ngừng việc tăng băng thông cho các kết nối này

vì các kết nối này đã đạt đến trạng thái cân bằng cực đại – cực tiểu

Bước 3: Lặp lại quá trình tăng tốc độ cho các kết

nối khác chưa đạt đến điểm tắc nghẽn cho đến khi lại tìm thấy các điểm tắc nghẽn ứng với các kết nối khác (lặp lại bước 2)

Bước 4:Thuật toán kết thúc khi tất cả các kết nối

đều đã tìm được điểm tắc nghẽn

2.5 Tổng kết chương

Phương pháp điều khiển phân luồng dựa trên tốc độ vào trong đó thuật toán điều khiển phân luồng max-min đã cho ta thấy được hiệu quả của nó Chương II đã nêu tổng quan về vấn đề phân luồng dựa trên tốc độ vào và đi sâu vào phương pháp phân luồng max-min nghiên cứu thuật toán phân luồng max-min.Từ đó, ta thấy rằng thuật toán

max-min được sử dụng nhiều hơn các thuật toán khác do

nó đảm bảo hội tụ đến tính hiệu quả và bình đẳng trong mạng

Chương III: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PHÂN LUỒNG MAX-MIN VÀO MẠNG

NGN 3.1 Điều khiển phân luồng trên mạng NGN

Xu hướng phát triển là tiến tới hội tụ về mạng và hội tụ về dịch vụ Tài nguyên của mạng thì có giới hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin ngày càng tăng Chính

vì vậy hiện tượng tắc nghẽn mạng là khó tránh khỏi

Để giải quyết vấn đề này có hai hướng giải quyết tổng quát nhất, đó là:

 Tăng tài nguyên của mạng

 Điều khiển phân luồng để chống tắc nghẽn mạng

3.1.1 Vì sao phải điều khiển phân luồng trong mạng NGN

Các mạng riêng lẻ được kết nối với nhau thông qua các bộ định tuyến hay các cổng (MG), tại đây các gói tin đến sẽ được lưu giữ (store) trong bộ đệm và chuyển tiếp

(forward) theo một trong các đường kết nối đầu ra Tốc độ của các gói tin đầu ra bị giới hạn bởi băng thông (bandwidth) của các đường kết nối, thường nhỏ hơn băng thông của các đường đến do phải phân chia cho nhiều luồng, và sẽ dẫn tới tình trạng nghẽn mạng NGN

3.1.2 Nguyên nhân xảy ra tắc nghẽn trong môi trường mạng NGN

 Tính biến động của mạng, topo mạng

3.1.3 Nguyên lý chung điều khiển chống tắc nghẽn

 Duy trì điểm hoạt động của mạng luôn ở mức lưu lượng đưa vào nhỏ

 Đảm bảo cho các bộ đệm của bộ định tuyến không bị tràn

 Đảm bảo phía gửi dữ liệu nhanh mà phía nhận

vẫn có thể xử lý, giúp sử dụng tài nguyên một cách hiệu quả nhất

3.1.3 Các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn trên mạng NGN

3.1.3.1 Các đặc điểm chung

 Điều khiển chấp nhận kết nối

 Kiểm soát (Policing)

o Xóa các gói vi phạm mô tả

o Gán cho chúng quyền ưu tiên thấp hơn

 Điều khiển luồng dựa trên tốc độ vào

Điều khiển theo tốc độ

Điều khiển theo kích thước cửa sổ

3.1.4 Các tiêu chí đánh giá phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn

Những tiêu chí cơ bản nhất dùng cho phân tích, đánh giá các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn bao gồm: