Bài viết tập trung nghiên cứu, khảo sát, triển khai và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong các mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm trong đó bao gồm hai kỹ thuật đảm bảo QoS điển hình của mạng SDN là mô hình phân biệt dịch vụ (DiffServ) và kỹ thuật theo từng luồng (perFlow). Chúng tôi cũng kiểm nghiệm hiệu năng của các giải pháp này theo các loại hình lưu lượng khác nhau như dịch vụ lưu lượng Best-effort, dịch vụ lưu lượng tốc độ không đổi và dịch vụ lưu lượng tốc độ cao dựa trên cơ sở hệ thống chuyển mạch SDN cỡ nhỏ đã được phát triển dành cho các ứng dụng và hạ tầng IoT. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Đánh giá hiệu năng các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm
Nguyễn Quang Huy, Nguyễn Việt Châu, Lê Hải Châu và Nguyễn Tiến Ban
Khoa Viễn Thông I, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Email: huynq.ptit14@gmail.com, chaulh@ptit.edu.vn và bannt@ptit.edu.vn
Abstract— Công nghệ Internet vạn vật (IoT) đang phát triển
mạnh mẽ cả về số lượng thiết bị, loại hình dịch vụ, công nghệ kết
nối và cả dải yêu cầu đa tạp về băng thông cũng như chất lượng
dịch vụ Công nghệ IoT đang mang lại rất nhiều triển vọng mới
nhưng cũng đồng thời tạo ra nhiều áp lực trong việc nâng cấp,
cải tiến cũng như chỉ ra nhiều hạn chế và vấn đề khó khăn trong
hạ tầng mạng thông tin hiện tại Do vậy, các công nghệ mạng và
thiết bị mạng mới đang được quan tâm đầu tư nghiên cứu và
phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu của IoT Với các ưu điểm
trong quản lý, điều khiển và lập trình tài nguyên linh hoạt cùng
khả năng triển khai, nâng cấp hạ tầng và dịch vụ linh hoạt với
chi phí hiệu quả, giải pháp ứng dụng công nghệ mạng định nghĩa
bằng phần mềm (SDN) trong hạ tầng truyền thông IoT (SD-IoT)
đang dần trở thành giải pháp hứa hẹn cho truyền thông Internet
tương lai Trong bài báo này, chúng tôi tập trung nghiên cứu,
khảo sát, triển khai và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật đảm
bảo chất lượng dịch vụ trong các mạng IoT định nghĩa bằng
phần mềm trong đó bao gồm hai kỹ thuật đảm bảo QoS điển
hình của mạng SDN là mô hình phân biệt dịch vụ (DiffServ) và
kỹ thuật theo từng luồng (perFlow) Chúng tôi cũng kiểm nghiệm
hiệu năng của các giải pháp này theo các loại hình lưu lượng
khác nhau như dịch vụ lưu lượng Best-effort, dịch vụ lưu lượng
tốc độ không đổi và dịch vụ lưu lượng tốc độ cao dựa trên cơ sở
hệ thống chuyển mạch SDN cỡ nhỏ đã được phát triển dành cho
các ứng dụng và hạ tầng IoT Các kết quả đạt được cho thấy khả
năng thành công của việc triển khai các kỹ thuật đảm bảo chất
lượng dịch vụ (DiffServ và perFlow) cũng như hiệu quả của
chúng trong hạ tầng truyền thông SD-IoT
Keywords- Internet vạn vật, mạng định nghĩa bằng phần mềm,
chất lượng dịch vụ
I GIỚITHIỆU Công nghệ Internet vạn vật (IoT) đã và đang phát triển với
tốc độ ngày càng cao cả về loại hình thiết bị, công nghệ kết
nối mạng cũng như về các yêu cầu đối với băng thông, độ trễ,
và các tham số thể hiện chất lượng của kết nối [1] Các thiết bị
kết nối IoT không chỉ là các phương tiện truyền thông truyền
thống như máy tính, điện thoại thông minh, … mà còn là các
thiết bị gia dụng như tủ lạnh, lò vi sóng, … hay hệ thống công
nghiệp đến cả con người Các kỹ thuật và công nghệ mạng
đang hướng đến giải quyết các thách thức và vấn đề của IoT
nhằm hỗ trợ cho hàng tỉ thiết bị kết nối Internet với nhiều đặc
tính khác nhau và trao đổi thông tin theo thời gian thực để
thực hiện các dịch vụ thông minh đa tạp về băng thông Bên
cạnh đó, hạ tầng truyền thông IoT cũng đang được tập trung
cải tiến và nâng cao, hướng đến các kiến trúc và thiết bị mạng
mới nhằm đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của đa dạng các loại hình dịch vụ và sự phát triển bùng nổ của băng thông [2] Công nghệ truyền thông IoT được kỳ vọng sẽ giảm thiểu điện năng tiêu thụ, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu phong phú về băng thông trong khi vẫn đảm bảo truyền thông trong suốt với các thiết bị và môi trường mới trong mọi điều kiện, hoàn cảnh và dịch vụ [3] Hơn nữa, các thiết bị mạng trong IoT cũng cần phải đảm bảo linh hoạt trong triển khai và hiệu quả về giá thành trong khi hỗ trợ được các dịch vụ IoT đa tạp với dải rộng nhu cầu về chất lượng dịch Trong khi đó, các công nghệ mạng truyền thống dựa trên các giao thức truyền tải cơ bản trước đây trên nền IP đang tỏ ra khó có khả năng đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của hạ tầng thông tin trong IoT Các thiết bị mạng truyền thống, với hạn chế về tài nguyên, được lập trình sẵn với tập các thủ tục, quy tắc phức tạp khác nhau và không thể sửa đổi linh hoạt theo thời gian thực cũng như không thể khả lập trình nhằm tối ưu hóa dịch vụ mạng Trong thời gian gần đây, với khả năng cung cấp nền tảng mạng linh hoạt, khả lập trình, triển khai dịch vụ nhanh chóng
và hiệu quả, công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) đang nổi lên là một trong các giải pháp hứa hẹn có thể khắc phục được những vấn đề của mạng truyền thống và đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của công nghệ IoT [4-5] SDN cung cấp khả năng trừu tượng hóa các phân lớp mạng và ảo hóa tài nguyên dựa trên việc tách biệt giữa mặt phẳng điều khiển (logic) với thiết bị chuyển tiếp thông tin (vật lý), qua đó, chuyển đổi tài nguyên mạng thành dạng khả lập trình, điều khiển mạng tự động với độ linh hoạt cao và khả năng nâng cấp hiệu quả theo mọi nhu cầu kinh doanh của các nhà khai thác viễn thông [6-8] Trong mạng SDN, chức năng điều khiển mạng thông minh được triển khai dựa vào các thành phần phần mềm (gọi là các bộ điều khiển SDN) trong khi chức năng của các thiết bị kết nối mạng thì được thay bằng chức năng chuyển tiếp dữ liệu đơn giản [7, 8] Do vậy, hướng tiếp cận ứng dụng công nghệ SDN trong hạ tầng thông tin truyền thông IoT (gọi tắt là công nghệ SD-IoT) đang dần thu hút được nhiều sự quan tâm, đầu tư nghiên cứu [8-10] Một số nghiên cứu phát triển sản phẩm SDN kích thước nhỏ đã được đề xuất cho IoT [11-13] Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu này mới chỉ tập trung chính vào một số triển khai phần cứng với một vài chức năng đơn giản như là kiến tạo lại các chức năng của các phần tử mạng truyền thông trên thiết bị SDN, chức năng định tuyến, … Bên cạnh đó, dù các vấn đề liên quan đến việc đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) đã bắt đầu được nghiên cứu triển khai đối
Trang 2với một số mạng dựa trên nền tảng công nghệ SDN [14-16],
việc đảm bảo QoS trong các mạng SD-IoT vẫn chưa được quan
tâm nghiên cứu nhiều trên thế giới cũng như ở Việt nam
Với mục tiêu thiết kế, xây dựng thành công một thiết bị
mạng SDN kích thước nhỏ, giá thành phải chăng để có thể áp
dụng được trong các hệ thống IoT, chúng tôi đã phát triển
thành công mẫu thiết bị chuyển mạch SDN dựa trên nền tảng
phần cứng Raspberry Pi và các công cụ phần mềm mã nguồn
mở [17] Hệ thống của chúng tôi bao gồm 4 cổng kết nối theo
chuẩn Ethernet có tốc độ tối đa 100 Mbps, hoạt động dựa trên
hệ thống Raspberry pi 3 sử dụng hệ điều hành Raspbian và
phần mềm OpenvSwitch Hệ thống này tương thích với giao
thức điều khiển SDN là OpenFlow 1.3 Nhờ vào công nghệ
SDN và các phần mềm mã nguồn mở, thiết bị này có thể triển
khai thành các thiết bị mạng với chức năng đa dạng bằng phần
mềm cài đặt trong bộ điều khiển
Trong bài báo này, chúng tôi thực hiện nghiên cứu, khảo
sát, triển khai và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật đảm bảo
chất lượng dịch vụ trong các mạng IoT định nghĩa bằng phần
mềm dựa vào hệ thống chuyển mạch SDN đã được phát triển
Các kỹ thuật đảm bảo QoS điển hình khác nhau của mạng SDN
bao gồm hai loại tiêu biểu là kỹ thuật dựa vào mô hình
DiffServ và kỹ thuật theo từng luồng (perFlow) được nghiên
cứu và triển khai để đánh giá và so sánh với nhau Chúng tôi
cũng kiểm nghiệm hiệu quả của các giải pháp này theo các loại
hình dịch vụ khác nhau như dịch vụ lưu lượng Best-effort, dịch
vụ lưu lượng tốc độ không đổi và dịch vụ lưu lượng tốc độ cao
Các kết quả đạt được cho thấy khả năng thành công của cả hai
kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ (DiffServ và perFlow)
trong hạ tầng truyền thông SD-IoT Ngoài ra, hiệu năng của
các giải pháp cũng được xem xét dưới ảnh hưởng của một số
tham số thiết bị cơ bản như độ dài hàng đợi trang bị trong hệ
thống
II GIẢIPHÁPĐẢMBẢOCHẤTLƯỢNGDỊCHVỤ
TRONGMẠNGIOTĐỊNHNGHĨABẰNGPHẦNMỀM
A Chuyển mạch định nghĩa bằng phần mềm cỡ nhỏ cho các
ứng dụng IoT và hạ tầng mạng SD-IoT
Hình 1 thể hiện mẫu thiết bị chuyển mạch định nghĩa bằng
phần mềm kích thước nhỏ được xây dựng dựa trên hệ thống
phần cứng Raspberry Pi 3 [18-19], phần mềm Open vSwitch
bao gồm 04 cổng Ethernet tốc độ 100 Mbps cho các ứng dụng
và hạ tầng IoT Nhờ triển khai trên hệ thống Raspberry Pi 3,
giá thành của thiết bị được giảm thiểu trong khi vẫn tận dụng
được các tính năng ưu việt của hệ thống chuyển mạch định
nghĩa bằng phần mềm nhờ việc khai thác các thành phần phần
mềm mã nguồn mở Phần mềm chuyển mạch SDN Open
vSwitch là một trong các phần mềm được triển khai rộng rãi và
hỗ trợ tương đối đầy đủ các tính năng của thiết bị chuyển mạch
SDN [20] Cấu hình cụ thể của mẫu thiết bị được tổng hợp
trong Bảng I Thiết bị này có thể được điều khiển bởi bộ điều
khiển SDN như POX, Ryu hay Opendaylight, … Để cho việc
triển khai hệ thống được đơn giản, thuận tiện, chúng tôi đã sử
dụng bộ điều khiển Ryu (phần mềm điều khiển SDN dựa trên
ngôn ngữ Python) [5, 7]
Hình 1 Mẫu thiết bị chuyển mạch bằng phần mềm bốn cổng Ethernet 100
Mbps
BẢNG I CẤU HÌNH MẪU THIẾT BỊ CHUYỂN MẠCH SDN
Hệ thống phần cứng Raspberry Pi B
RAM 1 GB
Tốc độ chip 1.2 GHz Quad-Core ARM Cortex-A53
Nhờ việc sử dụng phần mềm chuyển mạch OpenvSwitch, thiết bị chuyển mạch này không chỉ có khả năng cung cấp các chức năng của thiết bị mạng thông thường, mà còn có thể cấu hình linh hoạt và mở rộng, nâng cấp dễ dàng Thiết bị này được
cấu hình thông qua cơ sở dữ liệu đơn giản (gọi là ovsdb) và có
khả năng thay đổi, cập nhật thông tin bằng các công cụ như
ovsdb-client, ovsdb-tool and ovs-vsctl Cơ sở dữ liệu của thiết
bị sử dụng giao thức JSON để truyền thông và lưu trữ dữ liệu Ngoài ra, thiết bị này còn sử dụng công cụ quản lý và điều
khiển luồng ovs-ofctl để thực hiện các lệnh OpenFlow Bằng
cách dùng phần mềm, thiết bị chuyển mạch SDN sẽ trở nên mềm dẻo và linh hoạt hơn, tuy nhiên, cũng vì thế mà nó có thể gặp nhiều bất lợi về tốc độ xử lý và năng lượng tiêu thụ Thiết bị chuyển mạch SDN kích thước nhỏ này có khả năng
hỗ trợ nhiều kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ khác nhau nhờ vào việc sử dụng giao thức OpenFlow [7] Chuyển mạch OpenFlow cho phép điều khiển thông tin ở mức gói hoặc mức luồng một cách linh hoạt thông qua bộ điều khiển Openflow cho phép người dùng quản lý đến từng luồng riêng lẻ Trên thực tế, có nhiều công cụ lập trình được hỗ trợ trong OpenFlow
để quản lý, điều khiển các luồng dữ liệu và người dùng có thể thiết lập các chính sách lưu lượng phù hợp với mục tiêu, yêu cầu của mỗi dịch vụ một cách linh hoạt Chuyển mạch dựa trên
OpenFlow duy trì các bảng luồng (flow table) và cập nhật, so
sánh thông tin bảng luồng với các trường tiêu đề để đưa ra các quyết định phù hợp (chuyển tiếp, loại bỏ hay nhớ đệm, …) với các gói dữ liệu Nếu như các trường tiêu đề của gói tin không phù hợp với các khoản mục trong bảng luồng hiện tại, thiết bị chuyển mạch sẽ đóng gói và gửi ngược gói tin lên cho bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ chịu trách nhiệm quyết định cách thức
Trang 3xử lý đối với gói tin như là thông báo hủy gói tin hay cập nhật
khoản mục mới trong bảng luồng để xử lý gói tin đó như là một
luồng mới Cơ chế thực hiện điều khiển chất lượng dịch vụ
trong SDN theo luồng được minh họa trên Hình 2
Hình 2 Nguyên lý điều khiển luồng trong thiết bị chuyển mạch SDN [21]
B Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong SD-IoT
Với sự hỗ trợ của bộ điều khiển SDN, mặt phẳng điều
khiển trong mạng SDN được tách biệt và có khả năng biên dịch
các yêu cầu từ tầng ứng dụng cũng như cung cấp cho tầng ứng
dụng tài nguyên mạng trừu tượng và ảo hóa Do vậy, trạng thái
mạng có thể được cập nhật và tổng hợp, ví dụ thông qua các
gói tin chuyển qua bộ điều khiển, và có thể gồm nhiều loại dữ
liệu khác nhau (cả các sự kiện hoặc các dữ liệu thống kê) Với
các thông tin này, các chính sách điều khiển và các thỏa thuận
mức dịch vụ (SLA) có thể được đặc tả bởi người quản trị ở
mức trừu tượng cao hơn và thậm chí có thể hiệu chỉ động linh
hoạt Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng có thể được phân thành
hai loại như sau: kỹ thuật có trước công nghệ SDN và kỹ thuật
dựa trên công nghệ SDN
Đối với các kỹ thuật đảm bảo QoS truyền thống (chưa xem
xét đến công nghệ SDN) cũng bao gồm hai loại chính đã được
chuẩn hóa là: IntServ và DiffServ Kỹ thuật IntServ dựa trên
kiến trúc điều khiển lưu lượng theo luồng với việc mỗi phần tử
mạng phải dành trước tài nguyên cho mỗi luồng lưu lượng Do
vậy, cách này thường chỉ áp dụng cho mạng nhỏ và khó áp
dụng trong mạng Internet hiện tại do các hạn chế về tài nguyên
của các bộ định tuyến cũng như các tài nguyên tính toán khác
Khác với IntServ, kỹ thuật DiffServ là kiến trúc điều khiển lưu
lượng mức thô dựa trên 8 bít thông tin trường DS (trường TOS
cũ) trong tiêu đề gói tin IP Trường này hỗ trợ phân loại lên đến
64 loại lưu lượng khác nhau Các bộ định tuyến DiffServ sẽ
quyết định việc chuyển tiếp gói tin dựa trên lớp lưu lượng của
chúng theo từng chặng Mặc dù DiffServ có thể áp dụng trong
các mạng lớn với hạn chế là tối đa 64 loại lưu lượng, kỹ thuật
này vẫn thiếu khả năng hỗ trợ hiệu chỉnh chất lượng lưu lượng
theo các luồng riêng rẽ
Ngược lại với các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ
truyền thống, các kỹ thuật đảm bảo QoS dựa trên SDN có khả
năng khắc phục hoàn toàn các hạn chế nêu trên Thông qua
việc trừu tượng mức cao hơn nhờ bộ điều khiển, người ta có
thể đặc tả các chính sách mà không cần phải cấu hình lại các thiết lập ở mức thấp cho mỗi thiết bị chuyển tiếp dữ liệu Tập các chính sách này và kể cả các lớp lưu lượng khác nhau cũng không bị giới hạn và cho phép tinh chỉnh dựa theo nhu cầu của người dùng Do vậy, các quy định, chính sách có thể được định nghĩa theo từng luồng (nếu cần thiết) và bộ điều khiển có nhiệm vụ áp dụng chúng một cách hiệu quả vào các phần tử
mạng khác nhau (gọi tắt là perFlow) Theo cách tiếp cận này,
việc cung cấp QoS cũng có thể được thực hiện theo một trong hai khía cạnh đó là đảm bảo QoS cho luồng dữ liệu khách hàng/doanh nghiệp hay cho mỗi luồng ứng dụng cụ thể (xem Hình 3) Có một số giải pháp đảm bảo QoS dựa vào SDN đã được đề xuất và phần lớn trong đó sử dụng cơ chế cắt lát ảo
(virtual slicing) băng thông khả dụng Phương pháp này gần
giống như dự trữ tài nguyên trong đó, mỗi luồng được gán một phần dung lượng truyền dẫn Bên cạnh đó còn có kỹ thuật định tuyến động theo luồng cũng được đề xuất để không gán trực tiếp tài nguyên cho mỗi luồng hoặc kỹ thuật dựa vào việc xếp hàng vào hàng đợi và tuân thủ chính sách
Hình 3 Minh họa kỹ thuật đảm bảo QoS theo luồng [21]
III TRIỂNKHAITHỬNGHIỆMVÀĐÁNHGIÁHIỆU NĂNGCÁCGIẢIPHÁPĐẢMBẢOQOS
Trong phần này, chúng tôi thực hiện triển khai thử nghiệm
và đánh giá hiệu năng của hai giải pháp đảm bảo QoS tiêu biểu cho các loại kỹ thuật QoS khác nhau đó là DiffServ (truyền thống – có trước SDN) và perFlow (kỹ thuật dựa trên nền tảng SDN) Chúng tôi thiết lập và cấu hình hạ tầng truyền thông cho một hệ thống IoT đơn giản và kiểm tra kết quả thực nghiệm Trong ứng dụng IoT thường có thể có nhiều loại hình lưu lượng khác nhau Việc điều khiển quản lý một số thiết bị không đòi hỏi trao đổi thông tin băng thông lớn nhưng lại yêu cầu tính thời gian thực cao như điều khiển các thiết bị có độ nhạy thời gian cao như lò vi sóng, báo cháy, báo khói, … Bên cạnh đó, một số dịch vụ yêu cầu băng thông càng lớn càng tốt để đảm bảo chất lượng Các hệ thống này yêu cầu loại lưu lượng có thỏa thuận băng thông tối thiểu Trong khi đó, nhiều loại dịch
vụ khác có thể yêu cầu băng thông cố định hoặc không yêu cầu
có thỏa thuận chất lượng dịch vụ Với bản chất best-effort (nỗ lực tối đa), mạng IP thông thường sẽ khó có thể đảm bảo chất lượng dịch vụ đa dạng theo cùng kết nối trong mạng Do vậy,
Trang 4testbed thử nghiệm cho hạ tầng thông tin đảm bảo QoS cho
ứng dụng IoT hỗ trợ được 03 loại lưu lượng điển hình như sau:
✓ Constant bit rate - Lưu lượng tốc độ cố định: dành cho các
dịch vụ yêu cầu thời gian thực, băng thông không thay đổi
theo thời gian (tốc độ cố định 2 Mbps)
✓ High-speed - Lưu lượng tốc độ giới hạn dưới: dành cho
các dịch vụ yêu cầu băng thông lớn với độ tin cậy cao, do
vậy băng thông luôn phải lớn hơn hoặc bằng giá trị thiết
lập trước (tốc độ giới hạn dưới là 4 Mbps)
✓ Best-effort - Lưu lượng thông thường: dành cho các dịch
vụ không có yêu cầu đặc biệt về băng thông Băng thông
cung cấp cho các dịch vụ này sẽ được xử lý theo cơ chế
best-effort của mạng IP thông thường
Trong hệ thống thử nghiệm này, tổng tốc độ kết nối tối đa
của liên kết cho cả ba dịch vụ là 10 Mbps Kỹ thuật cắt lát băng
thông được sử dụng để chia sẻ tài nguyên trong hệ thống Các
thiết bị chuyển mạch SDN được dùng trong mô hình này là các
thiết bị đã được phát triển trong [17] Hình 4 minh họa mô hình
hệ thống thử nghiệm
Hình 4 Mô hình testbed thử nghiệm
Để xác thực khả năng hoạt động của hệ thống, lưu lượng
ngẫu nhiên theo các tốc độ tăng dần được tạo ra và truyền qua
các luồng dữ liệu được thiết lập QoS khác nhau của hệ thống
chuyển mạch Hình 5 thể hiện kết quả về băng thông đầu ra tại
các cổng của hệ thống chuyển mạch Openflow Kết quả cho
thấy đối với Best-effort và High-speed, do lưu lượng không
giám sát hoặc chỉ giới hạn tốc độ tối thiểu, tốc độ lưu lượng
đầu ra vẫn như tốc độ truyền vào hệ thống Tuy nhiên, đối với
lưu lượng Constant bit rate, do tốc độ bị giới hạn cố định là 2
Mbps, nên khi truyền dữ liệu có tốc độ cao thì đều bị giới hạn
không lớn hơn 2 Mbps Sự khác biệt giữa hai phương pháp QoS không thể hiện rõ ở trong trường hợp này Lý do là vì sự tắc nghẽn và tranh chấp băng thông chưa xảy ra nhiều với các luồng lưu lượng khác nhau
Hình 6 Băng thông các loại hình lưu lượng
Ngoài ra, Hình 6 thể hiện băng thông của các loại hình lưu lượng trong kịch bản sử dụng kỹ thuật đảm bảo QoS bằng DiffServ và perFlow cho ba loại lưu lượng của hệ thống thử nghiệm theo cấu hình đã thiết lập Trong kịch bản này, lưu lượng Best-effort được yêu cầu truyền với tốc độ cố định là 4 Mbps Lưu lượng dịch vụ Constant-bit-rate được truyền với tốc
độ cố định là 2 Mbps trong khi tốc độ truyền của lưu lượng dịch vụ High-speed được tăng dần sau mỗi khoảng thời gian nhất định (30 giây) Lưu lượng Constant-bit-rate và High-speed được khởi phát bắt đầu chậm 30 giây so với lưu lượng dịch vụ Best-effort Kết quả cho thấy, lưu lượng dịch vụ Best-effort bị giảm dần để ưu tiên cho các luồng lưu lượng có QoS cao hơn được thiết lập Tổng lưu lượng của cả 3 dịch vụ trên liên kết luôn đảm bảo là khoảng 10 Mbps (bằng tốc độ tổng của liên kết được thiết lập) Hai loại lưu lượng Constant-bit-rate và High-speed có tốc độ lưu lượng theo đúng yêu cầu QoS được thiết lập
Hình 7 thể hiện sự so sánh về hiệu năng của các kỹ thuật DiffServ và perFlow theo tỉ lệ mất gói tin trong trường hợp các lưu lượng dịch vụ Best-effort và Constant-bit-rate được thiết lập cố định ở mức tương ứng lần lượt là 4.0 Mbps và 2.0 Mbps trong khi lưu lượng dịch vụ High-speed được tăng dần từ 0
a) Best-effort traffic b) Constant bit rate traffic c) High-speed traffic
Hình 5 So sánh băng thông của các loại hình dịch vụ với các kỹ thuật đảm bảo QoS khác nhau
Trang 5Mbps đến 10 Mbps trong khoảng thời gian thử nghiệm là 240
giây Kết quả cho thấy, kỹ thuật DiffServ cho hiệu năng nhỉnh
hơn một chút so với kỹ thuật dựa trên SDN perFlow Nguyên
nhân là do hệ thống SDN được triển khai overlay trên nền tảng
IP, do vậy, việc kiểm soát chất lượng dịch vụ ở mức dưới (lớp
IP) đã giúp kỹ thuật DiffServ tỏ ra hiệu quả hơn mọt chút Tuy
nhiên, sự khác biệt ở đây là không đáng kể
Hình 7 Tỉ lệ mất gói tin
Hình 8 Ảnh hưởng của dung lượng hàng đợi
Để làm rõ hơn ảnh hưởng của các tham số hệ thống phần
cứng/mềm đến hiệu năng của các giải pháp QoS đối sánh,
chúng tôi đã khảo sát sự phụ thuộc của hiệu năng mạng vào
một trong các tham số đặc tính quan trọng của thiết bị chuyển
mạch SDN, đó là dung lượng bộ đệm Kết quả thử nghiệm đo
trên hệ thống thu được (như thể hiện trên Hình 8) cho thấy hiệu
quả của cả hai giải pháp là khá tương đồng Tỉ lệ mất gói sẽ
giảm nhanh chóng khi dung lượng hàng đợi được tăng lên Khi
dung lượng hàng đợi đạt giá trị nhất định (ví dụ, 2.5 MB), hiệu
năng của cả hai phương pháp đều đạt mức tốt nhất Đối với
trường hợp dung lượng hàng đợi nhỏ (ít hơn 2 MB), kỹ thuật
perFlow cho hiệu năng tốt hơn so với DiffServ
IV KẾTLUẬN Internet vạn vật có triển vọng rất lớn, nhưng tất cả các yếu tố này vẫn chưa thể đảm bảo rằng việc quan tâm nhiều hơn đến công nghệ này sẽ đồng nghĩa với việc công nghệ IoT sẽ được đầu tư và ứng dụng rộng rãi Các vấn đề về kỹ thuật, tài chính
và chính sách phải được giải quyết Về mặt công nghệ, giá thành của các thiết bị cảm biến và các bộ truyền động phải giảm được xuống mức mà có thể tạo ra việc sử dụng rộng rãi Ngoài ra, các nhà cung cấp công nghệ cần thống nhất các tiêu chuẩn để có thể cho phép mở rộng khả năng tương tác giữa các thiết bị cảm biến, máy tính và bộ truyền động Cho đến khi có được các tiêu chuẩn này, việc đầu tư ứng dụng IoT sẽ cần nhiều nỗ lực để xây dựng và duy trì các hệ thống tích hợp Trong bài báo này, chúng tôi thực hiện nghiên cứu, triển khai
và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong các mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm dựa vào hệ thống chuyển mạch SDN đã được phát triển Hai kỹ thuật đảm bảo QoS điển hình là DiffServ (truyền thống) và perFlow (dựa trên SDN) được triển khai thử nghiệm để đánh giá và so sánh với nhau Việc kiểm nghiệm hiệu quả của các giải pháp này cũng được thực hiện theo các loại hình dịch vụ khác nhau như dịch vụ lưu lượng Best-effort, dịch vụ lưu lượng tốc độ không đổi và dịch vụ lưu lượng tốc độ cao Các kết quả đạt được cho thấy khả năng thành công của cả hai kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ (DiffServ và perFlow) trong hạ tầng truyền thông SD-IoT
TÀILIỆUTHAMKHẢO
[1] Vermesan Ovidiu, and Peter Friess, “Internet of things-from research and innovation to market deployment,” Vol 29, Aalborg: River Publishers, 2014
[2] Alasdair Gilchrist, “Industry 4.0: The Industrial Internet of Things,” Apress, 2016
[3] Wollschlaeger Martin, Thilo Sauter, and Juergen Jasperneite, “The future of industrial communication: Automation networks in the era of the internet of things and industry 4.0,” IEEE Industrial Electronics Magazine, vol 11, no 1, pp 17-27, 2017
[4] Bizanis, Nikos, and Fernando A Kuipers, "SDN and virtualization solutions for the Internet of Things: A survey," IEEE Access, vol 4, pp 5591-5606, 2016
[5] Diego Kreutz, Fernando M.V Ramos, Paulo Esteves Verıssimo, Christian Esteve Rothenberg, Siamak Azodolmolky, and Steve Uhlig,
“Software-defined networking: A comprehensive survey,” Proceedings
of the IEEE, vol 103, no 1, pp 14-76, 2015
[6] Andreas, Arsanasty Ba, Martin Reisslein, and Wolfgang Kellerer,
“Survey on network virtualization hypervisors for software defined networking,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol 18, no 1,
pp 655-685, 2016
[7] Hu, Fei, Qi Hao, and Ke Bao, "A survey on software-defined network and openflow: From concept to implementation, " IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol 16, no 4, pp 2181-2206,
2014
[8] Samaresh Bera, Sudip Misra, and Athanasios V Vasilakos, “Software-Defined Networking for Internet of Things: A Survey,” IEEE Internet of Things Journal, vol 4, no 6, pp 1994-2008, 2017
[9] Omnes, Nathalie, Marc Bouillon, Gael Fromentoux, and Olivier Le Grand, "A programmable and virtualized network & IT infrastructure for the internet of things: How can NFV & SDN help for facing the upcoming challenges," 18th International Conference on Intelligence in Next Generation Networks (ICIN), pp 64-69, 2015
[10] Jararweh, Yaser, Mahmoud Al-Ayyoub, Elhadj Benkhelifa, Mladen Vouk, and Andy Rindos, "SDIoT: a software defined based internet of
Trang 6things framework," Journal of Ambient Intelligence and Humanized
Computing, vol 6, no 4, pp 453-461, 2015
[11] Vipin Gupta, Karamjeet Kaur and Sukhveer Kaur, “Developing Small
Size Low-Cost Software-Defined Networking Switch Using Raspberry
Pi,” Next-Generation Networks, pp 147-152 Springer, Singapore, 2018
[12] Kim, Hyunmin, Jaebeom Kim, and Young-Bae Ko "Developing a
cost-effective OpenFlow testbed for small-scale Software Defined
Networking," IEEE 16th International Conference on Advanced
Communication Technology (ICACT), pp 758-761, 2014
[13] Austin, Ron, Peter Bull, and Shaun Buffery, "A Raspberry Pi Based
Scalable Software Defined Network Infrastructure for Disaster Relief
Communication," IEEE 5th International Conference on Future Internet
of Things and Cloud (FiCloud), pp 265-271, 2017
[14] Mirchev, A., “Survey of Concepts for QoS improvements via SDN,”
Future Internet (FI) and Innovative Internet Technologies and Mobile
Communications (IITM), 33, p.1, 2015
[15] A Ishimori et al., “Control of Multiple Packet Schedulers for Improving QoS on OpenFlow/SDN Networking,” EWSDN, Berlin, 10-11 Oct,
2013
[16] S Sharma, D Staessens, D Colle, and D Palma, “Implementing Quality of Service for the Software Defined Networking Enabled Future Internet”, EWSDN, Budapest, 1-3 Sep, 2014
[17] Quang Huy Nguyen, Ngoc Ha Do and Hai Chau Le, “Development of a QoS Provisioning Capable Cost-Effective SDN-based Switch for IoT Communication,” ATC 2018, pp 220-225, 2018
[18] John C Shovic, “Raspberry pi IoT projects,” Apress, 2016
[19] https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/
[20] https://openvswitch.org [21] Durner, Raphael, Andreas Blenk, and Wolfgang Kellerer, "Performance study of dynamic QoS management for OpenFlow-enabled SDN switches," 2015 IEEE 23rd International Symposium on Quality of Service (IWQoS), 2015
