Luận án đề xuất các biện pháp cải thiện hiệu năng cho giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ

Trong đó, việc chọn tuyến truyền từ nguồn dữ liệu đến nơi sử dụng đủ đáp ứng yêu cầu chất lượng của dịch vụ, đặc biệt là với các dịch vụ cần chất lượng tuyến truyền cao, chính là bài toá

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề - Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, công nghệ viễn thông đã và đang phát triển nhanh chóng và đã trở thành nền tảng phát triển của xã hội; các công nghệ, kỹ thuật mới liên tục ra đời để đáp ứng các nhu cầu lưu lượng dữ liệu tăng mạnh do bùng nổ các loại hình dịch vụ viễn thông và các dịch vụ băng rộng nhằm đáp ứng nhu cầu của mọi lĩnh vực của xã hội Sự tăng trưởng bùng nổ của lưu lượng dữ liệuđó đã làm cho việc đảm bảo chất lượng cho các dịch vụ cung cấp trên mạng viễn thông càng trở nên quan trọng, trong bối cảnh các dịch vụ viễn thông mới, yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng ngày càng cao Trong đó, việc chọn tuyến truyền từ nguồn dữ liệu đến nơi sử dụng đủ đáp ứng yêu cầu chất lượng của dịch vụ, đặc biệt là với các dịch vụ cần chất lượng tuyến truyền cao, chính là bài toán cần giải quyết hiện nay, trong bối cảnh mạng viễn thông đang phát triển ngày càng mạnh mẽ

Do đó, việc giải quyết vấn đề về đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cung cấp trên mạng mang ý nghĩa thực tiễn, đồng thời mang tính học thuật cao Để thực hiện tốt yêu cầu này, việc xây dựng các giải pháp mới, giải thuật định tuyến mới trên cơ

sở cải tiến những giải pháp đã và đang được sử dụng với mục tiêu góp phần đưa công nghệ định tuyến đảm bảo QoS được phổ dụng hơn, ứng dụng nhiều hơn trong thực tế đã trở thành vấn đề cấp thiết hiện nay

Trên cơ sở đó, Luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề về chất lượng dịch vụ (QoS), cân bằng tải, định tuyến đảm bảo QoS và đề xuất các giải thuật định tuyến mới nhằm đảm bảo QoS cho dịch vụ viễn thông trên mạng viễn thông phát triển mạnhhiện nay cũng như trong thời gian sắp đến

2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

- Trong nước: Hiện nay, các nghiên cứu về QoS tương đối phổ biến, được nghiên cứu nhiều, đáp ứng nhu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ trên các loại mạng nhưmạng tùy biến di động (MANET - mobile ad hoc network), mạng hội tụ di động – cố định (FMC - Fixed Mobile Convergence ) … thể hiện tại các nghiên cứu [2],

[4] Định tuyến kiểu Best-Effort được nghiên cứu và mô tả tại [1] giúp hình dung quá trình định tuyến khi không có yêu cầu về QoS Giải pháp sử dụng trí tuệ nhân tạo trong [6] cũng được nghiên cứu và đề xuất nhằm thoả mãn vấn đề đảm bảo QoS khi chuyển tải thông tin trên mạng viễn thông

Về định tuyến, việc nghiên cứu, đề xuất giải thuật định tuyến mới đã và đang

sử dụng để bổ sung, trình bày hoặc giải các bài toán mang tính tổng quát cao về việc định tuyến thông tin trên mạng, cụ thể các nghiên cứu [2], [4], [5]

Về nghiên cứu phát triển mạng viễn thông hiện nay: Việc nghiên cứu đảm bảo chất lượng mạng như [95] đã giải quyết nhiều vấn đề về định tuyến ứng dụng trên mạng thế hệ mới, đồng thời cũng là một hướng ứng dụng gợi mở cho việc phát triển của mạng viễn thông Việt nam

- Ngoài nước:

Các nghiên cứu về QoS như cơ chế định tuyến đảm bảo QoS và OSPF mở rộng [14], [39], [40], [51], [107] cũng là một giải pháp được quan tâm trong việc ứng dụng trên mạng viễn thông hiện nay Đó là giải pháp nhằm tối ưu hóa việc chọn đường, và đề xuất giải bài toán định tuyến trong mạng viễn thông hiện nay với các giải thuật rất phổ biến nhưgiải thuật định tuyến chọn đường ngắn nhất rộng nhất (WSP - Widest Shortest Path), giải thuật định tuyến chọn đường rộng nhất ngắn nhất (SWP - Shortest Widest Path), giải thuật dùng tuyến truyền ngắn nhất (SDP - Shortest-distance path) … Bên cạnh đó, việc đề xuất và giải bài toán QoS trên mạng nội vùng, liên vùng, và mạng WAN-MAN, MANET cũng được nghiên cứu và đề xuất tại [17], [86], [104]

Đối với các mạng như: Mạng các thông tin không chính xác, không xác định việc nghiên cứu giải thuật định tuyến đảm bảo QoS cũng được đề xuất tại [13], [28], [61], [63], [69], [102] Các thông số như : thông tin không chính xác, thông số không xác định là các thông số đầu vào quan trọng để đề xuất các mô hình định tuyến QoS mới, ứng dụng trong các mạng đặc thù, nơi mà các thông tin đến với các nút mạng không đầy đủ, không trọn vẹn

Các đề xuất khác liên quan đến giải thuật định tuyến đảm bảo QoS đề xuất tại [30], [31], [39], [42], [53], [57], [59], [66],[71], [74], [88], [89], [99], [110] cũng

là các cách mà các nhà nghiên cứu đi sâu vào phân tích các khía cạnh còn chưa được nghiên cứu trong việc mở rộng mô hình mạng, nhằm đáp ứng với một xã hội thông tin ngày càng mở rộng cũng như các giải pháp công nghệ ứng dụng trong việc tìm và xây dựng giải thuật mới cho định tuyến đảm bảo QoS Đặc biệt, các hướng nghiên cứu về định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin nội bộ (TTNB) như tại [35], [36], [91], [97], [108] … đã được nghiên cứu nhiều hiện nay và hứa hẹn đem lại hiệu quả cao trong định tuyến đảm bảo QoS trong thời gian tới Ngoài ra, các nghiên cứu mô phỏng luồng dữ liệu cũng được nghiên cứu nhiều tại các nghiên cứu [11], [34], [43], [68], [103] để đánh giá hiệu năng định tuyến Các giải thuật định tuyến nêu trên sẽ được khảo sát kỹ hơn ở các phần sau của Luận án, làm cơ sở cho các đề xuất mới của Luận án

Về các nghiên cứu tiến trình phát triển của mạng viễn thông hiện nay: Các cường quốc công nghệ đặc biệt là Mỹ, Nhật đã đầu tư, nghiên cứu, và hoạch định mạng viễn thông nhằm đón đầu nhu cầu chất lượng mạng viễn thông của chính họ, với các dự án như FIND [24], NICT [60], AKARI [62], GENI [73] … Với nhu cầu cao về dịch vụ, công nghệ, ứng dụng công nghệ thông tin tại các thị trường trên, các nghiên cứu cũng chỉ ra các định hướng và các yêu cầu trong việc định tuyến thông tin nhằm ứng dụng hiệu quả trong mạng viễn thông hiện nay

Tóm lại, các nghiên cứu trên đã đề xuất được cơ chế mới cũng như mô hình mạng, mô hình cung cấp dịch vụ mới cùng với việc đề xuất cácgiải pháp định tuyến mới, hiệu quả hơn, đảm bảo QoS chất lượng cao hơn cho dịch vụ viễn thông, đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của thị trường viễn thông trong thời gian đến

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Với việc chọn lĩnh vực nghiên cứu là giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trên mạng viễn thông hiện nay, mục tiêu hướng đến của Luận án là đề xuất các giải pháp mới nhằm hoàn thiện hơn việc định tuyến thông tin trên mạng viễn thông hiện

tại nhằm đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao của thị trường viễn thông trên cơ sở khảo sát những giải pháp đã và đang được áp dụng trên mạng hiện nay

Các mục tiêu nghiên cứu của Luận ánlà:

- Đề xuất mô hình, giải thuật định tuyến đảm bảo QoS mới, có khả năng ứng dụng trong mạng viễn thông phát triển mạnh mẽ hiện nay trên cơ sở nghiên cứu các bài báo, các đề xuất và các công trình liên quan

- Đề xuất các giải pháp để nâng cao hiệu năng các giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB

- Đề xuất hệ số đánh giá mạng, đánh giá hiệu năng các giải pháp định tuyến trên cơ sở các nghiên cứu về QoS và định tuyến đảm bảo QoS

Các mục tiêu nghiên cứu trên đã xác định cụ thể đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Trong đó, việc đầu tiên là nghiên cứu tổng quan về QoS trên mạng viễn thông, về định tuyến đảm bảo QoS và về các phương pháp đánh giá mạng viễn thông dựa trên việc tính toán các tham số QoS Từ đó, đề xuất các mô hình, giải thuật định tuyến mới, cùng các biện pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của các giải thuật định tuyến đã đề xuất, để xây dựng mô hình, giải thuật định tuyến hiệu quả tốt nhất

4 Phương pháp nghiên cứu:

Luận án nghiên cứu các công trình liên quan để nắm bắt tổng quan về các vấn

đề cần đạt được như đã nêu trong phần mục tiêu nghiên cứu Từ những vấn đề còn tồn tại, luận án lựa chọn trọng tâm nghiên cứu, những vấn đề cần giải quyết như:

- Xây dựng các giải thuật, mô hình định tuyến mới đảm bảo chất lượng dịch

vụ trên mạng viễn thông, được đánh giá, khảo nghiệm bằng các công cụ mô phỏng

- Nghiên cứu các hạn chế của các giải thuật hiện tại, các yêu cầu của mạng viễn thông trong giai đoạn phát triển hiện nay, từ đó có các so sánh và đề xuất các giải pháp khắc phục

- Đề xuất xây dựng các công cụ và tiêu chí đánh giá hiệu năng mạng, hiệu năng của giải thuật định tuyến để hỗ trợ cho việc đánh giá giải thuật định tuyến, so sánh các giải thuật định tuyến

Luận án nghiên cứu và ứng dụng các công cụ mô phỏng như OMNeT++ [22], OPNET [64] …, các công cụ về lý thuyết trong xây dựng và tính toán mô hình [3]

để đánh giá kết quả thực hiện, đánh giá các giải thuật đề xuất

5 Các đóng góp của luận án

Các đóng góp chính của luận án như sau:

- Đề xuất các giải thuật định tuyến mới trong đó sử dụng thông tin nội bộ làm

cơ sở, và sử dụng các thông số QoS làm tiêu chuẩn chọn đường Các kết quả nghiên cứu được công bố trong các công trình [A.7], [A.8], [A.10], và các nghiên cứu trong [B.4], [B.5] và [B.6]

- Đề xuất tập tuyến truyền linh động hỗ trợ cho hoạt động của giải thuật định tuyến dùng TTNB được hiệu quả hơn Kết quả nghiên cứu này được công bố trong các công trình [A.2] và [A.8]

- Nghiên cứu và đề xuất các giải thuật định tuyến dùng TTNB trong đó dựa vào kiểu định tuyến phân tán nhằm làm tăng hiệu năng định tuyến và giảm bộ nhớ lưu trữ và tính toán tại các nút mạng Các kết quả nghiên cứu này được công bố trong các công trình [A.4] và [A.5]

- Đề xuất xây dựng các công cụ đánh giá mạng viễn thông thông qua các hệ

số đánh giá cân bằng tải nhằm hỗ trợ cho việc đánh giá hiệu năng các giải thuật định tuyến Các kết quả nghiên cứu này được công bố trong các công trình [A.1], [A.3], [A.9] và [B.7]

Ngoài ra, Luận án đã nghiên cứu tổng quan vềđịnh hướng phát triển mạng viễn thông hiện nay và về các kỹ thuật định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS)trên mạng thế hệ mới trong các nghiên cứu [B.1], [B.2], [B.3] và [A.6] trong phần danh mục các công trình công bố và các nghiên cứu liên quan của tác giả ở phần sau của Luận án

6 Bố cục của luận án

Luận án gồm 4 chương với bố cục như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vấn đề đảm bảo QoS trên mạng viễn thông,và các yêu cầu kỹ thuật định tuyến đảm bảo QoS ứng dụng trong mạng viễn

thông phát triển hiện nay Tổng quan vềđịnh tuyến đảm bảo QoS, nhất là định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB Trên cơ sởđó,luận án xác định hướng nghiên cứu là đề xuất các giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB và các giải pháp để nâng cao hiệu năng của các giải thuật này

Chương 2: Nghiên cứu và đề xuất các các tiêu chí đánh giá hiệu năng của các giải thuật định tuyến, trong đó đề xuất hệ số đánh giá cân bằng tải mạng làm cơ sở cho việc đánh giá hiệu năng của các giải thuật định tuyến, nhất là các giải thuật định tuyến được đề xuất trong luận án Đồng thời, chương này cũng đề cập các phương pháp mô phỏng và các mô hình mạng được sử dụng trong luận án

Chương 3: Đề xuất các giải thuật định tuyến dùng TTNB, trong đó sử dụng các thông số QoS làm tiêu chuẩn chọn đường Các công trình này đã khắc phục được một số nhược điểm của các giải thuật định tuyến đã được nghiên cứu trong phần trước

Chương 4: Đề xuất các biện pháp cải thiện hiệu năng cho giải thuật định tuyến dùng TTNB, trong đó có đề xuất tập tuyến truyền linh động ứng dụng cho giải thuật định tuyến dùng TTNB, cùng với đề xuất giải thuật định tuyến dùngTTNB ứng dụng kiểu định tuyến phân tán Đề xuất nâng cao hiệu năng của dạng giải thuật này qua cơ chế điều khiển định tuyến linh hoạt, ứng dụng tốt trong giải thuật định tuyến dùng kiểu định tuyến phân tán

Cuối cùng là phần Kết luận và hướng phát triển tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH

VỤ TRONG MẠNG VIỄN THÔNG

1.1 Tổng quan yêu cầu về QoS trên mạng viễn thông

1.1.1 Giới thiệu:

Ngày nay, mọi lĩnh vực xã hội từ lối sống đến nhu cầu tiêu dùng hàng ngày đều liên quan đến Internet và truyền thông Mạng viễn thông – mạng truyền dữ liệu ngày càng phát triển mạnh mẽ, ngày càng hiện đại hơn, và trở thành yếu tố gắn chặt với sự phát triển của xã hội, đã thâm nhập và thay đổi lối sống của con người, từ việc làm, tiêu khiển đến những tác động xã hội Do đó, nhu cầu về thông tin trở nên rất bức thiết và bùng nổ như nghiên cứu của Cisco [27] hay tại [55], với dự đoán lưu lượng dữ liệu sẽ vượt qua mức 1,2 zettabyte vào năm 2017 và đạt 2,1 zettabyte vào năm 2019 (khoảng 168,5 exabyte/tháng) (xem hình 1.1) Đây là mức dữ liệu rất cao, với mức tăng trưởng bình quân hàng năm (CAGR) khoảng 23% đến năm 2019 (với 1 zettabyte = 1.000.000.000 Gbyte; exabyte = 1.000.000 Gbyte – Nguồn [109])

Hình 1.1 Dự báo lượng thông tin trên mạng đến năm 2019 - Nguồn [27] Trên mạng viễn thông hiện nay, những dịch vụ viễn thông mới cần chất lượng dịch vụ rất cao, như các dịch vụ trực tuyến, đa phương tiện, VoD, UHDTV (4K, 8K

…) … vì thế mà các nhà cung cấp dịch vụ phải đảm bảo chất lượng mạng lưới cho khách hàng theo các yêu cầu chất lượng QoS tương ứng Chính các yêu cầu này đặt

ra cho mạng viễn thông những yêu cầu khắt khe để việc truyền dịch vụ đến nơi sử dụng đảm bảo chất lượng Việc đáp ứng tốt QoS tương ứng với việc đảm bảo cho dịch vụ có giá trị của các thông số QoS từ nguồn đến đích đạt như yêu cầu, trong đó các thông số QoS được sử dụng để mô tả các yêu cầu của dịch vụ viễn thông cung cấp cho người sử dụng cũng như là chất lượng của mạng viễn thông nhằm đáp ứng cho các nhu cầu ấy

Hiện nay, vấn đề đảm bảo QoS trở nên rất nan giải do có nhiều loại ứng dụng trên mạng viễn thông với các đặc tính lưu lượng khác nhau hoặc tích hợp nhiều loại dịch vụ trên cùng một nền ứng dụng chung Điều này làm cho việc hỗ trợ các loại ứng dụng với các đặc tính lưu lượng và các yêu cầu QoS khác nhau trở nên phức tạp hơn, bên cạnh các vấn đề khác như cấp phát tài nguyên, cân bằng tải mạng, điều khiển tắc nghẽn Các vấn đề này cần được xem xét toàn diện nhằm đảm bảo QoS cho dịch vụ trong môi trường mạng không đồng nhất, kết hợp nhiều công nghệ khác nhau và sự tương tác giữa các kiến trúc QoS khác nhau trên đường kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối, từ nơi cung cấp dịch vụ đến nơi sử dụng dịch vụ

1.1.2 Các thông số QoS:

Về các thông số QoS: Có nhiều định nghĩa về QoS như của Cisco [26]: QoS tham chiếu đến khả năng của mạng truyền dữ liệu nhằm đảm bảo cung cấp dịch vụ tốt hơn cho lưu lượng mạng được lựa chọn trên nền các công nghệ lớp truyền dẫn như Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (ATM), Ethernet và 802.1 networks, SONET, và với mạng IP Hay QoS chính là tập hợp các công nghệ mạng cho phép các ứng dụng yêu cầu và nhận các mức dịch vụ theo các kiểu lưu lượng dữ liệu, băng thông, độ trễ … Còn theo ITU-T [45] thì QoS là tổng hòa các đặc tính của một dịch vụ viễn thông liên quan tới khả năng của nó có thể thỏa mãn yêu cầu được quy định trước của người dùng dịch vụ đó Các đặc tính như: Độ chính xác, tốc độ xử lý, độ khả dụng, độ sẵn sàng, độ tin cậy và tính đơn giản của dịch vụ Vì thế, QoS chính là sự kết hợp các yếu tố chất lượng tương ứng với tất cả các dịch vụ như: hỗ trợ dịch vụ, thi hành dịch vụ, ảnh hưởng dịch vụ, duy trì dịch

vụ, bảo toàn dịch vụ và an toàn dịch vụ

Vấn đề đảm bảo QoS trên mạng truyền dữ liệu liên quan đến việc đảm bảo cho dịch vụ trên mạng truyền dữ liệu các thông số sau:

- Về băng thông: đây là tốc độ cần thiết để dịch vụ trên mạng gửi lưu lượng qua mạng, hay nói cách khác, đó là dung lượng cần thiết để mạng hỗ trợ thông lượng của dịch vụ trên mạng

- Về độ trễ: là thời gian mà các gói dữ liệu chuyển từ nút nguồn đến nút đích, đồng thời là thời gian mà dịch vụ có thể chấp nhận được

- Về độ trôi trễ: Độ trôi trễ là khoảng chênh lệch giữa thời gian thực của gói

dữ liệu đến và thời gian gói dữ liệu phải đến theo lý thuyết

- Về tỷ lệ tổn thất gói: là phần trăm dữ liệu mất mát, thường được biểu diễn như tỷ lệ mất gói, mất dữ liệu, phụ thuộc vào khối thông tin phát đi

Ngoài ra còn một số thông số khác như : tiếng vọng, độ tin cậy mạng, độ bảo mật mạng, tỉ số lỗi bit, sự ổn định lớp vật lý và liên kết số liệu, sự ổn định định tuyến, hiệu năng phần cứng toàn mạng, thời gian cần để giải quyết sự cố

Đến nay, việc tiêu chuẩn hóa các dịch vụ trên mạng truyền dữ liệu – mạng viễn thông hiện đại mới đã giúp mạng truyền dữ liệu trở nên linh hoạt và hiệu quả hơn nhiều với các dịch vụ mạng như: UGS (Unsolicited grant services), rtPS (Real-time polling services), nrtPS (Non-real-time polling services), BE (Best-Effort Service) và ERT-VR (Extended real-time variable rate service) …

Để phân tích cụ thể về tính chất của dịch vụ, ta xét bảng các loại dữ liệu, tương ứng với kiểu lưu lượng trên mạng truyền dữ liệu hiện nay:

Bảng 1.1 Phân loại lưu lượng các dịch vụ

Loại lưu

Dữ liệu Không thuộc thời gian thực

- Truyền dữ liệu, tải dữ liệu

- Dịch vụ VoIP

- IPTV, VoD

- Hội thoại truyền hình

- Chơi game trên mạng Lưu Lưu lượng bắt buộc để duy trì - Đồng bộ mạng

lượng ưu

tiên

độ ổn định của mạng - Dữ liệu điều khiển định tuyến

- Dữ liệu điều khiển chuyển

mạch-… Tương ứng với các kiểu loại dữ liệu trên, ITU-T trong khuyến nghị Y.154x tại [44] đã đề xuất các yêu cầu về QoS như bảng sau:

Bảng 1.2 Lớp dịch vụ và chuẩn QoS

Lớp dịch vụ/Dịch vụ đặc trưng Trễ trung bình Biến thiên trễ Tỷ lệ mất gói

Lớp 0 : Thời gian thực, nhạy trôi trễ

(VoIP, Hội nghị truyền hình …)

100ms <50ms <1.00E-3

Lớp 1: Thời gian thực, có tính tương

tác (VoIP, Hội nghị truyền hình …)

400ms <50ms <1.00E-3

Lớp 2: Tương tác cao, trao đổi dữ

liệu (ví dụ: truyền tín hiệu )

Không xác định

Không xác định Trong các bảng trên, ta thấy được rằng mạng truyền dữ liệu hiện đang thực hiện truyền tải rất nhiều lưu lượng dữ liệu với sự đa dạng về yêu cầu QoS, trong đó:

- Yêu cầu băng thông lớn, nhưng chấp nhận trễ như: E-mail, truyền dữ liệu

- Yêu cầu băng thông không cao, nhưng yêu cầu cao về độ trễ: Thoại (VoIP), điện thoại thấy hình, hội nghị truyền hình…

Tại tiêu chuẩn ITU-T G.1010 [46], đã đưa ra các chỉ tiêu tham số chất lượng cho từng loại dịch vụ thoại, video (xem bảng 1.3)

Bảng 1.3: Các mục tiêu chất lượng đối với các ứng dụng thoại/video

Môi

trường

Ứng dụng Mức

độ đối xứng

Tốc độ dữ liệu điển hình

Các tham số chất lượng cơ bản

và các giá trị mục tiêu

Trễ một chiều

Phương sai trễ

Tổn thất thông tin (2)

(giới hạn) Thoại Thông

điệp tiếng

nói

Chủ yếu một chiều

4-32 kbit/s < 1 s

(phát lại)

< 2 s (ghi âm)

< 1 ms < 3% tỷ lệ

mất gói (PLR)

16-128 kbit/s (3)

< 10 s < 1 ms < 1% tỷ lệ

mất gói (PLR)

Video Điện thoại

thấy hình

Hai chiều

16-384 kbit/s

< 150 ms (tốt nhất)(4)

< 400 ms (giới hạn)

< 1% tỷ lệ mất gói (PLR)

Máy môi

(5):

<80ms Video Một chiều Một

chiều

16-384 kbit/s

< 10 s < 1% tỷ lệ

mất gói (PLR) 1: Bao hàm điều khiển tiếng vọng tương thích

2: Giá trị chính xác phụ thuộc vào bộ giải mã cụ thể, nhưng giả định dùng thuật toán xóa mất gói để giảm hiệu ứng của mất gói lên dịch vụ

3: Chất lượng phụ thuộc lớn vào loại bộ mã hóa và tốc độ bít

4: Những giá trị này được lấy khi hoạt động thời gian dài, có thể chưa đạt được bởi kỹ thuật hiện tại

5: Độ lệch nhấp nháy môi giữa hình ảnh và âm thanh trong quá trình truyền tín hiệu videophone

Qua các bảng trên, ta thấy những dịch vụ viễn thông có yêu cầu tương tác thời gian thực như: thương mại điện tử, giao dịch chứng khoán, trò chơi trực tuyến có yêu cầu chặt chẽ và rất khác nhau về băng thông, trễ, độ biến thiên trễ, thông lượng

… Do đó, mạng truyền dữ liệu phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu QoS để tìm ra tuyến truyền khả dụng phù hợp với dịch vụ yêu cầu Nếu luồng dữ liệu của dịch vụ nào không có yêu cầu QoS, thì không có các ràng buộc tương ứng với việc tìm đường đối với các giải thuật định tuyến, và giải thuật định tuyến sẽ chọn tuyến truyền mà không có các ràng buộc QoS nào cho luồng dữ liệu ấy

1.1.3 Xây dựng các ràng buộc liên quan đến đảm bảo chất lượng dịch vụ

Việc xây dựng các ràng buộc đóng vai trò quan trọng trong việc tìm tuyến truyền trong các giải thuật định tuyến, vì chính nó đảm bảo cho một tuyến truyền

tìm được đảm bảo thỏa mãn chất lượng mà dịch vụ yêu cầu, ở đây là các giá trị thông số QoS của các luồng tin đến các nút mạng Với các yêu cầu của luồng tin chỉ

có một thông số QoS (như băng thông, độ trễ …) thì việc so sánh trực tiếp giá trị thông số trên là đảm bảo Tuy nhiên, với các yêu cầu liên quan nhiều thông số QoS thì việc xây dựng các ràng buộc là rất quan trọng với các giải thuật định tuyến

Để minh họa điều này, ta xét một mạng cụ thể G(N,L) trong đó: N là tập các nút mạng, và L là tập các đường liên kết trong mạng Gọi một đường liên kết từ nút mạng a đến nút mạng b được ký hiệu là (a,b) Một tuyến truyền P bao gồm s liên kết được ký hiệu là P=(n1, n2, … ns+1) và bắt đầu từ nút mạng n1 đến nút mạng ns+1 Gọi

u là giá trị thông số QoS nào đó của phần tử mạng cần xét, có thể là băng thông, độ trễ …, và ký hiệu u(a,b) là giá trị thông số đó của liên kết (a,b) Tương tự, gọi u(P)

là giá trị thông số của cả tuyến truyền P

Với một luồng thông tin f có yêu cầu một thông số nào đó, thì mạng cần phải xác định giá trị thông số tương ứng của mạng mình, có giá trị đáp ứng được yêu cầu của luồng thông tin đó hay không, để có thể cung cấp dịch vụ trên mạng Tuy vậy, với mỗi loại thông số QoS, có các cách xác định khác nhau, cụ thể:

Loại Cộng: u(P)= u(n1, n2) + u(n2, n3) + … + u(ns, ns+1); (1.1) Loại Nhân: u(P)= u(n1, n2) u(n2, n3) … u(ns, ns+1); (1.2) Loại hàm lõm: u(P)= min[u(n1, n2), u(n2, n3), … , u(ns, ns+1)]; (1.3) Loại hàm lồi: u(P)= max[u(n1, n2), u(n2, n3), … , u(ns, ns+1)]; (1.4) Với các ứng dụng chỉ yêu cầu một giá trị thông số QoS, ta có thể sử dụng trực tiếp các cách tính như trên Tuy nhiên, khi một ứng dụng lại yêu cầu nhiều hơn một thông số, đặc biệt là các ứng dụng yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng, thì việc xây dựng các ràng buộc phức hợp sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến, chọn đường phù hợp nhất để đáp ứng tốt các nhu cầu đó Cụ thể như các cách sau:

1) Việc xây dựng hàm ràng buộc:

Để thuận tiện cho tính toán, ta xây dựng một hàm g(x1, x2, … xn), trong đó, n biến số x1, x2, … xn sẽ thay thế cho từng giá trị thông số QoS đơn

Gọi v1, v2, … vn là n giá trị thông số QoS yêu cầu của luồng thông tin truyền qua mạng Gọi u1, u2, … un là n giá trị thông số QoS của tuyến truyền P trên mạng

Nếu g(u1, u2, … un) ≥ g(v1, v2, … vn) thì ta nói tuyến truyền P có khả năng đáp ứng dịch vụ cho luồng thông tin trên và ngược lại

Ví dụ, với hai giá trị u1, u2 lần lượt là băng thông và độ trễ Hàm thường gặp nhất là:

g(u1, u2)= u1/u2 (1.5) Khi một luồng thông tin yêu cầu có giá trị v1, v2 đến mạng thỏa mãn (u1/u2 ≥

v1/v2) ta nói tuyến truyền P đủ đáp ứng cho luồng thông tin trên

2) Việc so sánh trực tiếp tuần tự:

Việc xây dựng hàm ràng buộc đơn giúp cho việc tính toán trở nên đơn giản hơn nhiều Tuy nhiên, trong một vài trường hợp, mặc dù giá trị của tuyến truyền lớn hơn nhưng vẫn không đảm bảo chất lượng dịch vụ với một hay một vài thông số nào đó Ví dụ, có thể tuyến truyền có băng thông đủ, nhưng độ trễ lại lớn hơn một chút chẳng hạn … sẽ làm cho chất lượng truyền không đảm bảo

Do đó, việc so sánh tuần tự từng thông số sẽ giúp việc đảm bảo chất lượng tốt hơn Cụ thể, ta xây dựng thủ tục so sánh như sau:

Hình 1.2 Xây dựng thủ tục so sánh tuần tự Qua thủ tục so sánh trên, ta thấy, chỉ cần một thông số QoS không đảm bảo, thì tuyến truyền P coi như bị loại bỏ, tương ứng với khẳng định tuyến truyền P không đủ chất lượng phục vụ cho luồng tin f đến

Trong các giải thuật định tuyến đề xuất trong luận án, luận án sử dụng kiểu so sánh tuần tự này để làm tiêu chuẩn chọn tuyến truyền đảm bảo các thông số QoS

Cancel(P); //Loại bỏ tuyến truyền P Endif

Cụ thể với tuyến truyền P và luồng tin f: Với kiểu so sánh tuần tự hai thông số băng thông và độ trễ thì luận án sử dụng thủ tục sau:

Hình 1.3 Thủ tục so sánh tuần tự hai thông số QoS

Với kiểu so sánh ba thông số QoS là băng thông, độ trễ và tỷ lệ mất gói làm tiêu chuẩn chọn đường, luận án sử dụng thủ tục như sau:

Hình 1.4 Thủ tục so sánh tuần tự ba thông số QoS

Với băng thông là băng thông còn lại, độ trễ là độ trễ truyền lan và PER là tỷ

lệ mất gói tin trên toàn tuyến truyền P khi so sánh với yêu cầu của luồng tin f

3) Việc xây dựng hàm mục tiêu tổng quát:

Bên cạnh việc xây dựng ràng buộc giữa các thông số như mục 1), ta còn có thể

sử dụng một hoặc nhiều thông số QoS để xây dựng hàm ràng buộc tương ứng với một mục tiêu cụ thể, ví dụ như: Đảm bảo cân bằng tải, đảm bảo cân bằng băng thông, đảm bảo độ ổn định mạng … như [58] đã thực hiện

4) Các cách xây dựng khác:

Ngoài các phương pháp trên, còn có các cách khác như:

- Ước lượng và sử dụng xác suất của nhiều thông số

- Khoanh vùng thông số hay sắp xếp thông số …

Các cách này chiếm nhiều bộ nhớ trong tính toán nên ít được sử dụng trong thực tế

Việc ứng dụng các kiểu ràng buộc trên được ứng dụng nhiều trong các giải thuật định tuyến đảm bảo QoS Trong các đề xuất của luận án, kiểu xây dựng hàm ràng buộc và so sánh tuần tự trực tiếp được sử dụng, trong đó, kiểu so sánh trực tiếp tuần tự được sử dụng chủ yếu với các kết quả được nêu ra trong các phần mô phỏng trong các chương tiếp sau

1.1.4 Vấn đề đảm bảo QoS khi mạng viễn thông phát triển mạnh mẽ trong

giai đoạn hiện nay

1.1.4.1 Tổng quan

Như giới thiệu trong phần mở đầu, việc bùng nổ nhu cầu dữ liệu, nhu cầu về tốc độ truyền tải thông tin như nghiên cứu tại [27], [93], [100], càng làm cho mạng viễn thông hiện nay cần có các giải pháp mạng mẽ nhằm đáp ứng với nhu cầu ấy, với sự chung tay toàn cộng đồng Nhiều dự án mới, công nghệ mới đã được bắt đầu triển khai ở các quốc gia phát triển như Mỹ, Pháp, Nhật Bản… nhằm đẩy mạnh nghiên cứu, thiết kế mạng viễn thông, công nghệ viễn thông mới, nổi bật là các dự

án định hướng xây dựng mạng viễn thông thế hệ mới, nhằm định hướng cho toàn cầu về một mạng viễn thông hiện đại có tính khả dụng cao, vừa đáp ứng được nhu cầu hiện tại, vừa có tầm nhìn cho những nhu cầu cần thiết trong tương lai, như các

dự án FIND [24], FP7 [33], NICT [60], AKARI [62], GENI [73], cũng như các nghiên cứu tại [47], [94], …

Theo đó, mạng viễn thông trong thời gian tới sẽ đáp ứng tốt hơn của nhu cầu

đa dạng con người, đáp ứng xu hướng dịch chuyển dịch vụ từ tĩnh sang động, từ cố định sang di động, từ một vài điểm đến khắp nơi…, một xu hướng chung của mạng viễn thông hiện nay, với đa dạng cách thức kết nối, số lượng thiết bị viễn thông,

chủng loại, loại hình dịch vụ và số lượng người tham gia thị trường mạng ngày càng tăng mạnh mẽ Bên cạnh đó, mạng viễn thông còn đáp ứng nhu cầu của người sử dụng hướng đến các dịch vụ chủ động hơn, thông qua các dịch vụ tương tác trực tiếp hay trực tiếp lựa chọn hệ thống cung cấp tốt hơn khi sử dụng dịch vụ Chính vì thế, mạng viễn thông hiện nay, cũng như trong thời gian đến phải chịu tải rất lớn, đặc biệt là phần mạng lõi, mạng backbone, và các tuyến kết nối chính giữa các nút mạng lõi, nơi tập trung, định tuyến, phân hướng các luồng thồng tin trên mạng (các phần sau sẽ làm rõ các vấn đề liên quan này)

1.1.4.2 Định hướng cấu trúc mạng và yêu cầu đảm bảo QoS trên mạng viễn

thông trong thời gian tới

Về cấu trúc mạng và không gian truy nhập, việc truy nhập mạng viễn thông trong thời gian tới được thực hiện mọi nơi, bằng mọi hình thức khả dĩ: di động, cố định, có dây, không dây … với khả năng của hạ tầng mạng cung cấp các loại dịch

vụ yêu cầu, với khả năng đáp ứng tốt các nhu cầu thiết yếu của người sử dụng, với việc phân tầng mạng viễn thông thành mạng lõi, mạng gom và mạng truy nhập như hình 1.5

Hình 1.5 Hội tụ dịch vụ và hạ tầng mạngVới việc tập trung trong hệ thống mạng, từ mạng truy nhập, mạng gom và mạng lõi, việc thống nhất quản lý mạng trên một nền tảng chung tạo ra khả năng đáp ứng tốt hơn nhu cầu cao về QoS cho các loại hình dịch vụ viễn thông Việc thống nhất điều khiển chung trong mạng, là một hướng phát triển trong quản lý

mạng, đảm bảo chất lượng dịch vụ từ nơi cung cấp dịch vụ đến tận người sử dụng dịch vụ như hình 1.6

Hình 1.6 Hội tụ dịch vụ trên nền mạng viễn thông

Vì thế, việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trên mạng viễn thông hiện đại luôn là bài toán hết sức quan trọng Khi nhu cầu người sử dụng càng cao, ý thức sử dụng dịch vụ càng sâu sắc thì chất lượng dịch vụ đặt ra cho công nghệ đáp ứng thách thức rất lớn Với số lượng nút mạng và tốc độ mạng tăng nhanh, cùng với nhiều loại hình dịch vụ, đặc biệt là các dịch vụ có yêu cầu cao về chất lượng như các dịch vụ đa phương tiện, dịch vụ tương tác trực tuyến … thì yêu cầu về chất lượng dịch vụ đến từng dịch vụ sẽ ngày càng cao

Để đáp ứng được những nhu cầu về QoS cao đó, thì việc đẩy mạnh các nghiên cứu về kỹ thuật định tuyến mới với các yêu cầu đặt ra như trong nghiên cứu [62], [94] đã đề cập:

Khả năng mở rộng qui mô: Các thiết bị được kết nối với mạng sẽ vô cùng đa

dạng, lên hàng tỷ thiết bị kết nối, với dung lượng yêu cầu lớn hơn hiện tại rất nhiều

Chế độ mở và tính vững chắc: Mạng phải có khả năng hỗ trợ cho phép người

sử dụng cung cấp dịch vụ và tính sẵn sàng mạng là cần thiết

Khả năng mọi lúc mọi nơi và tích hợp hóa: Thiết kế mạng phải được đơn giản

hóa bằng cách tích hợp các phần phổ biến Việc đơn giản hóa này tăng độ tin cậy và

tạo điều kiện mở rộng, nâng cấp tiếp sau đó, hỗ trợ tốt cho việc truy nhập mạng mọi lúc, mọi nơi

Khả năng điều khiển phân tán: Điều khiển phân tán phải được mở rộng hơn so

với khả năng hiện có; nhất là khi số lượng nút liên tục tăng và trong các mạng quy

mô lớn hoặc cấu hình mạng khác nhau, trong đó vấn đề đặt ra là việc tự điều khiển hoặc tự hoạt động tại các nút Các yêu cầu đa định tuyến bao gồm định tuyến QoS,

hỗ trợ việc lựa chọn tuyến truyền cho người sử dụng tùy theo nhu cầu, nhằm đảm bảo QoS đến từng luồng tin trên mạng Đồng thời, tập trung cải thiện hiệu năng định tuyến, đặc biệt là định tuyến trên các nút mạng lõi, nơi chịu tải rất lớn trong quá trình vận hành thực tế

Việc xác định các yêu cầu trên nhằm định hướng xây dựng bài toán đảm bảo QoS và hoàn chỉnh giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng viễn thông phát triển mạnh mẽ hiện nay Để giải quyết tốt các yêu cầu này, kỹ thuật định tuyến

là một hướng nghiên cứu rất hiệu quả và đã giải quyết được một phần các yêu cầu trên, nhất là các giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ (TTNB) như trong các khảo sát ở các phần sau

1.2 Kỹ thuật định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ

1.2.1 Tổng quan:

Như đã nói ở trên, hiện nay hàng ngày một lượng dữ liệu lớn đã chuyển trên mạng đến rất nhiều nút mạng, với hàng loạt yêu cầu dịch vụ mới Tuy nhiên, về cơ bản trao đổi thông tin vẫn là trao đổi dữ liệu theo từng gói tin từ nút mạng nguồn hướng đến nút đích định sẵn Tiến trình đó chính là quá trình định tuyến (hình 1.7)

Hình 1.7 Sơ đồ mô tả việc định tuyến trên mạng viễn thông

Để nâng cao hiệu quả hoạt động mạng, thì việc mạng phải đáp ứng đúng, đủ chất lượng dịch vụ theo yêu cầu của người sử dụng là rất quan trọng, trong đó, các phần tử mạng và giải thuật định tuyến đảm bảo các thông số chất lượng mạng (các thông số QoS) đóng vai trò quyết định Việc sử dụng các giải thuật định tuyến đảm bảo QoS đã giúp cải thiện chất lượng tuyến truyền, chất lượng dịch vụ và khả năng

sử dụng tài nguyên mạng Do đó, xét về bản chất, định tuyến đảm bảo QoS chính là việc tìm tuyến truyền phù hợp cho các luồng tin dựa trên một số nhận biết về độ sẵn sàng của tài nguyên trong mạng cũng như các yêu cầu của luồng tin Trong đó, chất lượng dịch vụ (QoS) trong phạm vi định tuyến là khái niệm thể hiện mức độ đáp ứng những thoả thuận giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng về số lượng lẫn chất lượng kết nối Yêu cầu chất lượng của một tuyến truyền là các ràng buộc liên quan đến các chất lượng của các kết nối, các liên kết giữa các nút mạng

Để minh họa quá trình xác định tuyến truyền đảm bảo QoS trên, ta xét bài toán tổng quát về định tuyến đảm bảo QoS Xét mạng G(N,L) tương tự như trong phần khảo sát về QoS (phần 1.1.3), với N là tập các nút mạng, và L là tập các đường liên kết trong mạng Gọi P là một tuyến truyền bao gồm s liên kết, P=(n1, n2, … ns+1), bắt đầu từ nút mạng n1 đến nút mạng ns+1 Giả sử giải thuật định tuyến sử dụng hàm ràng buộc đơn g(x1, x2, … xn) (như đã xét ở phần 1.1.3 ở trên)

Gọi u(P)=(u1, u2, … un) là giá trị n thông số QoS của tuyến truyền P trên mạng Khi đó, bài toán định tuyến đảm bảo giá trị thông số g(u(P)) trên mạng chính

là bài toán tìm tuyến truyền P có g(u(P)) đảm bảo một trong các lựa chọn sau:

1 g(u(P)) bé nhất;

2 g(u(P)) lớn nhất;

3 g(u(P)) ≥ giá trị g(v) của luồng tin đến;

4 g(u(P)) ≤ giá trị g(v) của luồng tin đến;

(trong đó v=(v1, v2, … vn) là giá trị n thông số QoS yêu cầu của luồng thông tin truyền qua mạng)

Việc lựa chọn và xác định một trong các lựa chọn trên tùy thuộc vào thông số QoS mà dịch vụ yêu cầu Ví dụ, nếu định tuyến yêu cầu đảm bảo giá trị độ trễ, thì

lựa chọn thứ (4) là phương án phải dùng nhằm đảm bảo có độ trễ nhỏ hơn độ trễ

yêu cầu của luồng tin Trong khi đó, nhiều giải thuật định tuyến khác như tại [58]

lại chọn lựa chọn (1) do nó phải đảm bảo việc cân bằng băng thông trên mạng tại

thời điểm quyết định định tuyến là tốt nhất

Tóm lại, định tuyến đảm bảo QoS là cơ chế định tuyến theo đó tuyến truyền cho các luồng được xác định dựa trên sự sẵn sàng của tài nguyên trong mạng cùng với nhu cầu QoS của luồng, hay nói cách khác, đó là cách chọn tuyến truyền liên quan đến các thông số QoS như băng thông, độ trễ và các thông số QoS khác, nhằm mục tiêu là: Trước hết, là để đáp ứng các yêu cầu QoS của người sử dụng Thứ hai,

là để tối ưu hoá mức độ sử dụng tài nguyên mạng Thứ ba, khi mà mạng ở tình trạng tải lớn, khả năng thực thi của mạng giảm, giống như khi xảy ra tắc nghẽn, khi đó việc ứng dụng định tuyến đảm bảo QoS được mong đợi là sẽ cho chất lượng tốt hơn như đã phân tích ở trên và chính vì thế, định tuyến đảm bảo QoS thì khó thiết kế và thực thi hơn nhiều so với các dạng định tuyến khác

Như phân tích ở [41], bài toán định tuyến đa thông số, đa ràng buộc thường ở dạng NP-khó, nên thường thì ta không tìm giải pháp tốt nhất, mà là tìm giải pháp khả dụng nhất để chuyển dữ liệu thông tin ở mức độ chấp nhận được Vì thế, định tuyến đảm bảo QoS là một khía cạnh rất quan trọng với mục tiêu là chọn tuyến truyền đủ đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu về QoS đó Với mạng viễn thông rộng lớn, phức tạp như hiện tại thì việc tìm tuyến truyền là một vấn đề phức tạp và nhiều thách thức, với nhiều yêu cầu QoS cần phải thỏa mãn, trong khi đó vẫn cần phải đáp ứng được với việc thay đổi liên tục của cấu hình mạng lưới và tài nguyên mạng

Để đạt được hiệu quả cao trong việc định tuyến, mạng lưới phải đáp ứng được nhiều loại thông số QoS, mà phổ biến nhất vẫn là băng thông, độ trễ và độ mất gói Mặc dù, giải thuật định tuyến đặt ra đáp ứng càng nhiều thông số QoS sẽ làm cho việc tính toán càng thêm phức tạp, nhưng nó cũng làm cho việc định tuyến hiệu quả hơn và mềm dẻo hơn

Tương ứng với cách tính toán tìm tuyến truyền phù hợp với yêu cầu của dịch

vụ, hiện tại có các kiểu như:

- Định tuyến sử dụng thông tin toàn mạng để tính toán, tìm tuyến truyền Trong luận án gọi là kiểu định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin toàn cục

- Định tuyến sử dụng thông tin tại nút nguồn để tính toán chọn tuyến truyền trên cơ sở tập các tuyến truyền đã xây dựng trước để truyền thông tin Trong luận án gọi là kiểu định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin nội bộ

- Các giải thuật định tuyến dùng một hay nhiều thông số QoS làm tiêu chuẩn chọn đường

Phần sau sẽ trình bày cụ thể các kiểu định tuyến trên cùng một số giải thuật định tuyến tiêu biểu Trên cơ sở đó, Luận án sẽ có những đánh giá những ưu nhược điểm và đề xuất các giải thuật định tuyến mới trong các phần sau

1.2.2 Định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin toàn cục

1.2.2.1 Tổng quan:

Trong định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin toàn cục, việc tìm một tuyến truyền có khả năng đáp ứng được những yêu cầu của luồng dữ liệu cần có thông tin trạng thái của toàn mạng Để thu thập và lưu trữ thông tin trạng thái của mạng, hệ thống cần phải thực hiện cập nhật thường xuyên, và càng chính xác càng tốt các bảng thông tin định tuyến hoặc các dạng lưu trữ thông tin trạng thái toàn mạng, để giúp cho giao thức định tuyến tại các nút mạng thực hiện chính xác việc định tuyến trên mạng

Với một giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin toàn cục (TTTC) đều có hai nhiệm vụ cơ bản, thứ nhất đó là thu thập thông tin về trạng thái liên kết

và giữ các thông tin này luôn cập nhật Thứ hai, là tính toán được truyền khả dụng nhất cho mỗi luồng dữ liệu dựa trên thông tin trạng thái đang nắm giữ Do đó, thông tin trạng thái của mạng cung cấp cho giải thuật định tuyến nắm vai trò quan trọng trong quá trình định tuyến

1.2.2.2 Các kiểu định tuyến đảm bảo QoS sử dụng thông tin toàn cục:

Trên cơ sở bài toán tổng quát về định tuyến đã đề cập ở các phần trên, giải thuật định tuyến dùng thông tin toàn cục có các loại sau:

1) Định tuyến nguồn:

Tại mỗi nút nguồn đều duy trì một bảng thông tin trạng thái toàn mạng dùng

để tính toán tuyến truyền tại nút này đến các đích đến khác Thông tin trạng thái toàn mạng có thể bao gồm cả cấu hình mạng và trạng thái của tất cả đường liên kết Nút nguồn dựa trên bảng thông tin này, tính toán, tìm đường phù hợp với một yêu cầu truyền thông tin đến nút Sau khi tuyến truyền được xác lập, nút nguồn sẽ gửi các bản tin phù hợp đến các nút mạng trung gian trên tuyến truyền tìm được về đường kết nối mới đó Tuy nhiên, nếu không có đường nào phù hợp với luồng tin đến thì nút nguồn sẽ loại bỏ luồng tin đến, như mô tả tại [39], [67]

Định tuyến nguồn là có điểm mạnh là đơn giản, dễ triển khai sử dụng và không bị lặp do nó được tính toán toàn tuyến truyền ngay tại nút nguồn, và định tuyến thông tin theo tuyến truyền này Các nút trung gian trên tuyến truyền chỉ cần định tuyến thông tin theo đường xác định trước này thôi Điều này có lợi điểm nữa

là nó sẽ không gây ra sự định tuyến lòng vòng Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm là: Mỗi bộđịnh tuyến chứa thông tin trạng thái mạng hoàn chỉnh, màđiều này là khó duy trì, đặc biệt đối với mạng lớn, gây ra nhiều cập nhật thông tin trạng thái, do đóđưa nhiều lưu lượng tải tới mạng Do đó, nếu tổng hợp những cập nhật thông tin trạng thái để làm giảm sự quá tải lưu lượng, thì độ chính xác của thông tin có thể bị giảm đi, dẫn đến, có thể không tìm được một đường thích hợp hiện tại

Đồng thời, mặc dù các nút mạng khác có thể dễ dàng định hướng lưu lượng, nhưng việc tính toán tải tại các nút nguồn là rất lớn, do đó giải thuật định tuyến nguồn có vấn đề về việc đáp ứng mở rộng mạng, khó áp dụng cho các mạng lớn

2) Định tuyến phân tán:

Trong định tuyến phân tán, mỗi nút nguồn chỉ nắm thông tin về các nút kế tiếp

có kết nối với nút nguồn Do đó khi một luồng dữ liệu truyền tới, nút nhận tin chỉ chuyển luồng tin đó tới nút tiếp theo Theo từng bước như vậy, luồng tin được đưa đến đích Việc tính toán tuyến truyền được phân bố trên các nút mạng dọc theo tuyến truyền từ nút nguồn đến nút đích Các bản tin điều khiển định tuyến được trao đổi giữa các nút mạng này để cập nhật trạng thái thông tin toàn mạng và tính toán nút mạng tiếp theo, như [76], [78], [80], [85] nghiên cứu Cũng giống như định

tuyến nguồn, việc định tuyến phân tán cũng cần tất cả các nút mạng duy trì thông tin trạng thái toàn mạng để tính toán tuyến truyền, nhưng việc tính toán tuyến truyền để định tuyến thông tin tại các nút mạng lại phân tán, và độc lập nhau Để có thể hoạt động thống nhất, các bảng định tuyến được trao đổi, chuyển tiếp giữa các nút mạng, đồng thời phải duy trì việc tính toán trên toàn mạng, cần bộ nhớ rất lớn

và khả năng tính toán rất cao tại các nút mạng Ưu điểm của định tuyến kiểu này là giảm thời gian thiết lập định tuyến, và dễ co giãn hơn so với định tuyến nguồn, do

đó, dễ dàng để thiết kế và phù hợp hơn với các giao thức định tuyến hiện thời Nhược điểm của kiểu định tuyến này: Việc tính toán tải định tuyến được thực hiện tại tất cả các nút mạng từ nút nguồn tới nút đích Tuy nhiên, vấn đềđịnh tuyến lòng vòng rất dễ xảy ra khi thông tin trạng thái định tuyến trong các bộđịnh tuyến là khác nhau, không phù hợp hoặc không được cập nhật kịp thời, nhất là đối với các mạng lớn như [21] phân tích

3) Định tuyến phân cấp:

Định tuyến phân cấp là phù hợp nhất cho mạng lớn Giải thuật định tuyến phân cấp nhóm các nút mạng vào các nhóm có mức khác nhau, trong đó, mỗi nút mạng duy trì một trạng thái tổng thể của nhóm mà có chứa nút đó và trạng thái tổng hợp của các nhóm khác Mỗi nhóm các nút mạng lại được xem như một nút mạng logic Các nút logic này cũng được nhóm lại thành các nhóm nút logic … như [12] Cấu trúc của định tuyến bao gồm nhiều cấp Thông tin định tuyến được tích hợp tại các nút tiếp giáp với mỗi nhóm Mỗi nút bao gồm thông tin chi tiết về nhóm của nó và thông tin được tích hợp về các nhóm khác Kiểu phân cấp này đã giúp giải quyết được vấn đề co giãn và tính toán nhiều tại các mạng lớn Nhiều nghiên cứu và đề xuất về định tuyến phân cấp này, nhất là các mạnh hình sao và lưới [48] Tuy vậy, kiểu định tuyến này cũng có những hạn chế rất khó khắc phục, nhất

là khi có quá nhiều phân cấp, và quá nhiều nút mạng tham gia và thoát ra khỏi nhóm, hoặc chuyển đổi nhóm liên tục… Hơn nữa, hoạt động của kiểu định tuyến này phụ thuộc rất nhiều vào việc tập hợp, tổng hợp thông tin của các nhóm nút mạng, kiểu định tuyến của các nhóm nút logic khác nhau …

Do đó, khi số lượng nút mạng tăng lên nhanh chóng, chủng loại thiết bị, kiểu định tuyến khác nhau giữa các nhóm nút … làm cho kiểu định tuyến này trở nên hoạt động thiếu hiệu quả

1.2.2.3 Một số giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin toàn cục:

Để minh họa cho các phân tích ở phần trên, phần này xét một số giải thuật định tuyến dùng thông tin toàn cục (TTTC) tiêu biểu, cụ thể như sau:

1 Giải thuật định tuyến Best-Effort (BE) [1], [79]: Về cơ bản, giải thuật này

là giải thuật định tuyến nhằm tìm tuyến truyền để truyền gói tin đến nút đích và không quan tâm đến việc đảm bảo các thông số QoS như các giải thuật định tuyến đảm bảo QoS Dù vậy, giải thuật BE vẫn có ưu điểm là có tốc độ tính toán nhanh, rất hữu hiệu đối với việc truyền dữ liệu thô (như văn bản, truyền tập tin lớn …) mà không quan tâm nhiều đến độ trễ hay các thông số chất lượng khác Mô tả cụ thể giải thuật BE như sau:

a) Mô hình định tuyến: Mô hình Best-Effort là mô hình đầu tiên áp dụng cho các gói tin truyền qua mạng IP, và không phân biệt các loại lưu lượng mạng Các gói tin được truyền từ đầu cuối này sang đầu cuối khác mà không có một cơ chế đảm bảo băng thông hoặc độ trễ Mô hình Best-Effort sử dụng hàng đợi First In – First Out (FIFO), với gói tin đến trước thì được quyền ra trước Do đó, mô hình không có khả năng dành trước băng thông cho các gói tin có quyền ưu tiên Mô hình Best-Effort được thể hiện qua hình sau:

Hình 1.8 Mô hình định tuyến Best-Effort – Nguồn [1]

Một đặc điểm nữa là giải thuật BE tính toán tuyến truyền dựa trên các tham số theo cac khoảng thời gian định kỳ, với các tham số động như băng thông, độ trễ

hàng chờ … hay các tham số tĩnh như số bước nhảy, giá trị các liên kết … Theo đó, các nút mạng dùng giải thuật BE đều tạo ra một bảng chuyển tiếp thông tin bao gồm các cặp nút đích và nút liền kề Khi một gói tin đến nút nguồn, nút tìm kiếm trên bảng thông tin này theo giá trị của nút đích, và từ đó lấy được giá trị của nút liền kề (kể cả nút đích), và chuyển gói tin đến nút liền kề đó

b) Các ưu điểm của giải thuật BE:

- Tối thiểu hóa các yêu cầu kỹ thuật cho cơ sở hạ tầng mạng Về cơ bản nó không có yêu cầu nào với quá trình lập lịch, quản lý hàng chờ … tại các nút mạng, đồng thời giảm chi phí kinh tế cho việc đầu tư hạ tầng mạng

- Hữu dụng trong thế giới thực, hỗ trợ cho mọi dạng dữ liệu từ email, truyền

dữ liệu … mặc dù không cam kết chất lượng dịch vụ

c) Các nhược điểm của giải thuật BE: Xuất phát từ việc đơn giản trong cấu trúc, cũng như xử lý dữ liệu, giải thuật BE có các nhược điểm như:

- Không đảm bảo QoS cho các lưu lượng mạng Các gói tin không được đánh dấu độ ưu tiên trong quá trình xử lý Các gói tin quan trọng được xử lý như các gói tin bình thường

- Không đáp ứng được cho các ứng dụng cần thời gian thực, hoặc các ứng dụng viễn thông có yêu cầu chất lượng dịch vụ cao, độ trễ nhỏ … Dù mạng

có thể có dư thừa dung lượng nhưng khi nghẽn cục bộ xảy ra, giải thuật BE

về cơ bản vẫn chưa xử lý tốt, không có cơ chế ưu tiên cho các ứng dụng có yêu cầu cao…

2 Giải thuật MHA (Minimum Hop Algorithm): Đây là kiểu định tuyến chỉ

quan tâm đến bước nhảy trên mạng Để giải quyết bài toán định tuyến này, tác giả tại [70] đã đề xuất phương pháp dùng giải thuật tính đường đi ngắn nhất (qua ít nút mạng nhất, hay là ít bước nhảy nhất) MHA (Minimum Hop Algorithm) Do đó, mỗi liên kết được gán trọng số là 1, và việc cần làm tiếp theo là chọn đường đi có tổng trọng số là bé nhất, tương ứng với số liên kết đi qua là ít nhất

Với cách đặt thông số như vậy, giải thuật sử dụng giải thuật Dijkstra [50] tìm đường đi ngắn nhất, với số bước nhảy bé nhất định tuyến thông tin trên mạng Với phương pháp này, ta dễ thấy rằng, với một cặp nút nguồn và đích cho trước, một

đường đi ngắn nhất sẽ được chọn cho đến khi hoàn toàn không còn đáp ứng được băng thông nữa Lúc này, việc tiếp tục được chọn đường, giải thuật sẽ gây ra nghẽn cục bộ và mất cân bằng tải toàn mạng

3 Giải thuật MIRA (Minimum Interference Routing Algorithm) [56]: Giải

thuật MIRA tìm đường đi của một cặp nút nguồn – nút đích trên cơ sở thông tin biết trước đến các nút mạng để sao cho ít ảnh hưởng nhất đến các cặp nút khác trong quá trình định tuyến từ nút nguồn đến nút đích ấy Giải thuật này giúp tăng cường cân bằng trên mạng do bản thân việc chọn đường tránh ảnh hưởng đến các cặp nút còn lại đã giúp giảm việc gây nghẽn, đồng thời từ đó giúp cân bằng băng thông mạng một cách cục bộ Tuy vậy, giải thuật trên có nhược điểm là việc tính toán “xuyên nhiễu” giữa các cặp kết nối là phức tạp, tốn thời gian tính toán, nên dễ gây trễ cho các nút mạng

4 Giải thuật WSP (Widest Shortest Path) [39], [67]: Các tác giả tại [39],

[67] đề xuất phương pháp chọn đường ngắn nhất và rộng nhất WSP (Widest

Shortest Path) Bài toán này đã giải quyết được các yếu điểm của MHA như mất

cân bằng tải, hay giải quyết một phần nguyên nhân nghẽn mạng WSP chọn đường

đi còn nhiều băng thông nhất trong số các đường có số bước nhảy ít nhất Trong đó, WSP sẽ chọn một đường có số bước nhảy ít nhất trong tập các đường kết nối giữa hai nút mạng cho trước (các đường kết nối này là các đường kết nối không lặp)

Để thực hiện được điều này, WSP sử dụng thuật toán Bellman-Ford [25] để tính toán tuyến truyền từ nút nguồn đến tất cả các nút đích trên mạng, và xây dựng một bảng định tuyến Bảng định tuyến này là một ma trận các hàng và cột, trong đó, các hàng là tương ứng với các nút đích, và cột thứ i trong mỗi hàng tương ứng với các tuyến truyền không quá i bước nhảy, và có lượng băng thông còn lại lớn nhất đến mỗi nút đích Giá trị trong mỗi ô như vậy bao gồm địa chỉ nút tiếp theo và băng thông còn lại (trên tuyến truyền đã định)

Khi có luồng tin đến, và có yêu cầu băng thông, thì giải thuật so sánh với giá trị băng thông còn lại tương ứng với nút đích và chọn tuyến truyền thỏa mãn đầu tiên (trong bảng định tuyến đã lập) Nếu như cũng có nhiều tuyến truyền, thì giải thuật

sẽ chọn tuyến truyền có băng thông còn lại lớn nhất giữa nút đích và nút liền kề Còn nếu vẫn còn nhiều đường, thì giải thuật sẽ chọn ngẫu nhiên một đường Với cách này, WSP đã giải quyết khá tốt bài toán định tuyến hiện nay, và đã được ứng dụng khá rộng rãi trên mạng

5 Giải thuật SWP (Shortest Widest Path) và SDP (Shortest-Distance Path): Tại [39], [67] cũng đề xuất giải thuật chọn đường rộng nhất, ngắn nhất SWP

(Shortest Widest Path) Ngược lại với WSP, SWP chọn tuyến truyền có băng thông lớn nhất trước, sau đó, SWP mới chọn tuyến truyền có số bước nhảy ít nhất Nếu vẫn còn nhiều tuyến truyền có số bước nhảy bằng nhau, giải thuật sẽ chọn ngẫu nhiên một tuyến truyền trong các tuyến truyền này

Một dạng chọn đường khác cũng được đề cập tại [67] là giải thuật khoảng cách ngắn nhất SDP (Shortest-Distance Path) Giải thuật sẽ chọn đường có khoảng cách ngắn nhất trong các đường kết nối khả dĩ giữa hai nút mạng Công thức tính khoảng cách như sau:

disp(p) = ∑ 1

B𝑤(i,j)

v j=1 (1.6) trong đó, Bw(i,j) là băng thông còn lại của đường liên kết (i,j), v là số đường liên kết

So với WSP, SWP hay SDP ít phổ biến hơn nên trong các thí nghiệm mô phỏng trong các phần sau chỉ đề cập và so sánh với giải thuật WSP

Các giải thuật MHA, WSP, SWP hay SDP … đều dựa trên thông số đầu vào,

và các thông số toàn mạng để tìm đường đi thỏa mãn yêu cầu Tuy nhiên, nếu thông tin về mạng thay đổi, thì các giải thuật trên sẽ đưa ra kết quả không chính xác Đồng thời, do việc tìm đường phải tính toán đến tất cả thông tin trên mạng nên việc tính toán tại các nút mạng rất nhiều

6 Giải thuật MDWCRA (maximum delay-weighted capacity routing algorithms) [106]: Tại [106] đề xuất giải thuật định tuyến MDWCRA là giải thuật

định tuyếnchọn tuyến truyền có trọng số trễ tốt nhất để làm thuật toán định tuyến thông tin Theo đó, giải thuật MDWCRA là một dạng định tuyến thuộc loại định tuyến nguồn, nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các cặp nút nguồn -

đích MDWCRA tính toán các tuyến truyền tốt nhất về độ trễ cho mỗi cặp nút nguồn – đích, trong đó, MDWCRA tránh dùng các nút cổ chai trên các tuyến truyền khi không còn tuyến truyền nào khác Để làm điều này, MDWCRA sử dụng hàm số trọng lượng theo mức độ quan trọng của các liên kết (các liên kết càng có mức độ quan trọng cao thì có giá trị càng lớn) Sau khi xác định được trọng số, các liên kết

có băng thông còn lại không đáp ứng được với yêu cầu băng thông của luồng tin sẽ

bị loại bỏ để đảm bảo các tuyến truyền tìm được trên các liên kết còn lại sẽ thỏa mãn với yêu cầu về băng thông của luồng tin đến Sau đó MDWCRA sẽ sử dụng thuật toán Dijkstra [50] để tính toán tuyến truyền với giá trị độ trễ toàn trình thấp nhất, và đó là tuyến tuyền thỏa mãn các yêu cầu QoS cần tìm

7 Giải thuật DFS (QoS Routing with Depth-First Search Method) [29]: Tại

[29] cũng đề xuất một giải thuật định tuyến dùng đa tiêu chuẩn chọn đường được gọi là giải thuật DFS.Giống như giải thuật WSP, MIRA, MDWCRA … đã xét ở trên, giải thuật DFS cũng là một giải thuật định tuyến nguồn sử dụng thông tin toàn cục Điều đó có nghĩa là giải thuật DFS phải lấy thông tin từ toàn mạng cho mỗi yêu cầu định tuyến thông tin đến nút (gọi là các QA), sau đó giải thuật DFS trước hết tìm các đường dẫn có thể khả thi nhất, sau đó khảo sát các đường dẫn này Bằng cách đó, giải thuật DFS sẽ giúp giảm tỷ lệ quyết định sai - EDR (Erroneous Decision Rate) xuống đến một giới hạn thời gian hợp lý Tuy nhiên, giống như các giải thuật sử dụng thông tin toàn cục khác, DFS phải thu thập thông tin từ thông tin trạng thái toàn mạng cho mỗi lần tính toán tuyến truyền do đó nó sẽ tồn tại một số nhược điểm như: Việc tính toán tại các nút mạng, thông tin cập nhật không chính xác và lạc hậu … như sẽ phân tích ở phần sau

Các giải thuật nghiên cứu ở trên đều là các giải thuật định tuyến dùng thông tin toàn cục để tính toán tuyến truyền, do đó có điểm chung là cần duy trì bảng các thông tin trạng thái toàn cục, và phải duy trì thường xuyên để giúp cho việc tính toán tuyến truyền chính xác Yếu điểm của các giải thuật này là nếu việc cập nhật không đầy đủ, thiếu thông tin sẽ dẫn đến định tuyến thiếu chính xác, và gây mất cân bằng trong mạng Việc cập nhật thường xuyên này sẽ dẫn đến khối lượng xử lý

thông tin tại các nút mạng trở nên quá tải, nhất là đối với mạng lớn, mạng nhiều cấp, mạng lõi gồm các nút mạng chịu tải lớn … các nghiên cứu và đề xuất liên quan như [29], [90], [98], [106]…

Để góp phần giải quyết các nhược điểm trên, một hướng nghiên cứu được nghiên cứu nhiều hiện nay là tạo ra một tập các đường chọn sẵn Sau đó, nút mạng nguồn dựa vào thông tin ngay nội tại nút mạng như xác suất luồng bị chặn, xác suất băng thông bị chặn … từ nút mạng nguồn đến nút mạng đích để phân tải trên tập các tuyến truyền đã chọn như [81], [96], [101] đã đề xuất Do tập các tuyến truyền

đã chọn trước nên tại các nút mạng, việc tính toán giảm rõ rệt so với các giải thuật

sử dụng thông tin toàn mạng để tính toán tuyến truyền, đó là giải thuật định tuyến dùng TTNB sẽ được khảo sát ở phần tiếp theo

1.2.3 Định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin nội bộ

1.2.3.1 Đặc trưng của định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB

Về cơ bản, định tuyến dùng TTNB có đặc trưng là: Tại các nút mạng, các giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ đều lấy thông tin thống kê (thu thập qua quá trình định tuyến) tại nút mạng đó, và từ đó tính toán, đưa ra quyết định định tuyến

Do đó, quyết định định tuyến chỉ phụ thuộc vào thông tin tại nút mạng mà thôi Bên cạnh đó, tại các nút mạng này, một đặc trưng nữa là nó xây dựng và duy trì một tập các tuyến truyền đến các nút đích trên mạng Khi một yêu cầu luồng tin đến nút mạng, luồng tin được định tuyến theo một trong các tuyến truyền đã định sẵn đó Trên cơ sở nhu cầu QoS (yêu cầu về băng thông, độ trễ …) của luồng tin đến nút, nút mạng xác định tuyến truyền cho luồng tin đó trong tập các tuyến truyền đến nút đích theo yêu cầu của luồng tin Nút mạng kiểm tra chất lượng QoS của tuyến truyền đã chọn đáp ứng nhu cầu của luồng tin

Trong trường hợp trên tuyến truyền đã chọn trên không đủ chất lượng QoS theo yêu cầu, giải thuật sẽ hủy chọn tuyến truyền này, chọn tuyến truyền khác trong tập tuyến truyền tại nút nguồn và quá trình chọn tuyến truyền sẽ lặp lại đến khi chọn xong tuyến truyền đủ chất lượng QoS cho luồng tin yêu cầu Nếu vẫn không có tuyến truyền nào trong tập đã có sẵn thỏa mãn, giải thuật sẽ loại bỏ luồng tin trên

Với đặc trưng trên, giải thuật định tuyến dùng TTNB sẽ làm giảm đáng kể việc dùng thông tin trạng thái mạng để thiết lập tuyến truyền như cách mà giải thuật định tuyến truyền thống hay dùng như [35], [83], [91] … đã phân tích Từ đó, giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB đã giải quyết tốt hơn việc đáp ứng với nhu cầu ngày càng cao về dữ liệu, chất lượng dịch vụ trong mạng viễn thông, việc phát triển nhanh chóng về số lượng người dùng, nhất là khi mạng viễn thông phát triển nhanh như hiện nay

1.2.3.2 So sánh giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB với giải thuật

định tuyến dùng thông tin toàn cục

Để so sánh hiệu quả định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB với các giải thuật định tuyến dùng thông tin toàn cục (TTTC), ta xem xét theo hình so sánh giữa hai loại giải thuật như sau:

Hình 1.9 So sánh định tuyến dùng TTTC và định tuyến dùng TTNB – Nguồn [38] Theo đó, trong khi giải thuật định tuyến dùng thông tin toàn cục phải dựa vào bảng định tuyến (hoặc các phương pháp lưu trữ thông tin mạng khác) được cập nhật thường xuyên để tính toán tuyến truyền (hình 1.9), thì giải thuật định tuyến dùng TTNB đã xây dựng và duy trì một tập hợp các tuyến truyền giữa nút nguồn đến tất

cả các nút đích có trong mạng Sau đó, trên cơ sở theo dõi việc truyền thông tin giữa các cặp nút này, giải thuật định tuyến các luồng thông tin đến theo thông tin thống

kê từ việc truyền dữ liệu

Trong thực tế, mạng viễn thông, đặc biệt là mạng các nút mạng lõi, luôn linh động với nguồn dữ liệu, tải mạng và trạng thái liên kết thay đổi liên tục trong quá trình hoạt động Vì thế việc cập nhật thường xuyên, duy trì độ chính xác thông tin mạng phục vụ cho việc định tuyến (trong định tuyến dùng thông tin toàn cục) đóng vai trò quyết định trong việc định tuyến chính xác thông tin Nếu việc cập nhật không đầy đủ, thiếu thông tin sẽ dẫn đến định tuyến thiếu chính xác, và gây mất cân bằng trong mạng Tuy nhiên việc cập nhật thường xuyên này sẽ dẫn đến khối lượng

xử lý thông tin tại các nút mạng trở nên quá tải, nhất là đối với mạng lớn, mạng nhiều cấp, đồng thời với khoảng cách thời gian cập nhật dài cũng sẽ ảnh hưởng đến việc chính xác hóa thông tin mạng phục vụ cho việc tính toán tuyến truyền Từ đó, dẫn đến hiện tượng sử dụng quá tải một số liên kết vốn không có khả năng truyền tải nữa, trong khi vẫn có thể sử dụng các liên kết còn dung lượng khác, nói cách khác, dẫn đến việc mất cân bằng trong việc sử dụng tài nguyên mạng

Trong khi đó, với các tập tuyến truyền chọn sẵn, giải thuật định tuyến dùng TTNB sẽ dựa vào việc thống kê quá trình truyền thông tin giữa các nút mạng để chọn tuyến truyền đã lập sẵn như [37], [75], [81], [83], [84], [91] đã thực hiện Do

đó, sẽ không cần việc trao đổi, cập nhật thường xuyên thông tin toàn mạng nữa, giúp cho việc giảm tính toán tại các nút mạng Việc định tuyến trong trường hợp này chỉ phụ thuộc vào “góc nhìn” nội bộ nút mạng để quyết định chọn tuyến truyền,

do đó nó sẽ đạt hiệu quả cao hơn so với các giải thuật truyền thống, giảm khối lượng tính toán và giảm thiểu việc truyền thông tin trạng thái trên mạng chỉ để phục

vụ việc tính toán tuyến truyền của các giải thuật truyền thống Từ đó, sẽ giảm đi việc lưu trữ thông tin, cơ sở dữ liệu định tuyến … tại các nút mạng

Để làm được điều đó, tại mỗi nút mạng phải xây dựng, và duy trì một tập các tuyến truyền từ nút nguồn đến tất cả các nút đích trên mạng Việc cập nhật các tập hợp các tuyến truyền này phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể, phụ thuộc vào từng giải thuật, nhưng trên cơ sở chung là phải xây dựng trước, và sau đó, thống kê quá trình truyền thông tin tại nút nguồn, giải thuật tính toán tuyến truyền phù hợp nhất

để truyền thông tin đến nút đích Việc xây dựng các tập tuyến truyền vì thế đóng vai

trò rất quan trọng trong giải thuật định tuyến dùng TTNB, hỗ trợ tốt hơn việc định tuyến thông tin trên mạng, qua đó, đáp ứng được việc điều khiển, quản lý mạng tập trung, nâng cao năng lực mạng, có khả năng đáp ứng cho rất nhiều nút mạng cùng tham gia truyền thông tin trên mạng, đồng thời, do việc tính toán được thực hiện ngay tại nút nguồn trên tập tuyến truyền có sẵn, nên giải thuật định tuyến dùng TTNB có thể đáp ứng tốt trong các mạng lớn, có nhiều nút mạng …

1.2.3.3 Khả năng ứng dụng của giải thuật định tuyến dùng TTNB

Như mô tả ở phần 1.2.3.2, giải thuật định tuyến dùng TTNB đã giúp giảm khối lượng tính toán tuyến truyền tại các nút mạng, giảm thiểu bộ nhớ dành cho các bảng định tuyến duy trì tại các nút mạng, cũng như giảm khối lượng bản tin cập nhật trạng thái định kỳ như trong các giải thuật truyền thống, đồng thời hỗ trợ việc tính toán tập trung, điều khiển phân tán trên toàn mạng

Với những ưu điểm như thế, giải thuật định tuyến dùng TTNB đã giải quyết được cơ bản việc mở rộng mạng, độ ổn định định tuyến và các yêu cầu về định tuyến đảm bảo QoS trong quá trình phát triển mạng viễn thông hiện nay như trình bày ở phần 1.1.4.3, nhất là trong các mạng lớn, mạng lõi có các nút chịu tải cao trong tương lai Đồng thời, việc giảm khối lượng tính toán, giảm bộ nhớ lưu trữ thông tin tại các nút mạng hỗ trợ tốt cho việc đa định tuyến, định tuyến tập trung, điều khiển phân tán trên toàn mạng Các ưu điểm này rất phù hợp với các mô hình mạng, mô hình kết nối mạng tiên tiến hứa hẹn được ứng dụng nhiều trong tương lai

1.2.3.4 Một số giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dựa vào thông tin nội bộ

Để khảo sát cụ thể hơn về ưu điểm của giải thuật định tuyến dùng TTNB, ta sẽ khảo sát một số nghiên cứu gần đây, và khảo sát một số tồn tại cần hoàn thiện thêm

để đạt hiệu quả định tuyến cao hơn trong các đề xuất của luận án

1 Giải thuật PSR (Proportional Sticky Routing) [82]: Do các tác giả S

Nelakudit, L Zhang, R Tsang và D Du đã đề xuất PSR yêu cầu nút mạng nguồn xây dựng và duy trì một tập tuyến truyền ngắn nhất Rmin và tập tuyến truyền thay thế Ralt đến một đích cho trước Dựa vào thống kê của việc chọn tuyến truyền tại nút mạng nguồn (như số luồng bị chặn, xác suất luồng bị chặn …) để phân bổ luồng dữ

liệu đến một nút mạng đích trong tập các tuyến truyền thiết lập sẵn Rmin hay Ralt Giải thuật PSR thực hiện định tuyến như trên theo các giai đoạn tính theo chu kỳ Trong một giai đoạn, nút mạng nguồn chọn tuyến truyền dựa trên tỷ lệ luồng như đã nói ở trên, và thu thập thông tin về xác suất nghẽn luồng của chính tuyến truyền đó

Vì thế, nếu tuyến truyền được chọn nhiều lần sẽ có tỷ lệ lớn hơn và điều đó sẽ ảnh hưởng đến việc chọn tuyến truyền tiếp theo

Sau đó, mỗi chu kỳ, luồng dữ liệu đến lại được định tuyến giữa các tuyến truyền xem như đủ chất lượng, gọi là một tập Reli (tập này ban đầu chứa tất cả các tuyến truyền mà nút mạng nguồn tạo ra) Tập Reli loại dần các tuyến truyền không

đủ chất lượng đến khi tập Reli rỗng, chu kỳ hiện tại chấm dứt và một chu kỳ mới bắt đầu với những thông số mới Và một giai đoạn mới bắt đầu với các xác suất luồng

bị chặn trong giai đoạn trước gán cho mỗi tuyến truyền trong tập các tuyến truyền

đã chọn

Ưu nhược điểm của giải thuật: Do việc tính toán chọn tuyến truyền được thực

hiện từ đầu, nên nó có rất hiệu quả trong việc tiết giảm tính toán trong quá trình định tuyến so với các giải thuật như WSP, SWP …, tuy nhiên, giải thuật PSR phải phân tách luồng dữ liệu tỷ lệ theo thống kê truyền thành công trên các tuyến truyền của tập tuyến truyền chọn trước, PSR sẽ gặp phải một khó khăn là nó gây ra nghẽn cao khi các luồng dữ liệu bị quá phân mảnh, đối với các cặp nút có quá nhiều tuyến truyền, và giải thuật phân nhỏ các luồng thông tin trên các tuyến này, do đó, nó làm cho nút đích khó khăn và chậm trong việc ghép dữ liệu

2 Giải thuật CBR (Localized Credit Based Routing) [75]: CBR cũng tương tự

PSR yêu cầu nút nguồn xây dựng và duy trì một tập tuyến truyền ngắn nhất Rmin và tập tuyến truyền thay thế Ralt đến một đích cho trước, sau đó CBR tạo ra một tập tuyến truyền chung R, với: R = Rmin ∪ Ralt Bên cạnh đó, CBR sử dụng một thủ tục định tuyến đơn giản để định tuyến luồng dữ liệu trên mạng trong đó, CBR dùng một hệ thống cho điểm cho mỗi tuyến truyền trong tập tuyến truyền R, theo đó, CBR sẽ có chế độ thưởng phạt cụ thể cho mỗi tuyến truyền khi luồng dữ liệu được chấp nhận hay loại bỏ

Những tuyến truyền có điểm cao hơn, sẽ có cơ hội cao hơn cho việc chọn đường cho luồng dữ liệu đến nút nguồn đó Giải thuật CBR luôn cập nhật điểm của các tuyến truyền, luôn theo dõi thường xuyên xác suất nghẽn cho từng tuyến truyền

và chuyển dữ liệu đó đến hệ thống cho điểm, rồi từ đó CBR tính toán cho việc chọn đường tiếp theo, cụ thể: CBR chọn tuyến truyền có điểm cao nhất (ký hiệu theo CBR là P.credits) trong mỗi tập Rmin hay Ralt khi có luồng thông tin đến nút

Đồng thời CBR còn dùng một thông số hệ thống Ф, với Ф≤ 1, để quản lý việc dùng tập tuyến truyền Ralt Có nghĩa là, với một luồng thông tin đến, CBR sẽ thực hiện so sánh tuyến truyền có giá trị P.credits cao nhất của hai tập Rmin và Ralt theo công thức:

Pmin Credits ≥ Ф x Palt Credits , với Ф≤ 1 (1.7) Nếu (1.7) là đúng, có nghĩa Pmin Credits ≥ Ф x Palt Credits, CBR sẽ chọn tập Rmin và ngược lại Ngoài ra, CBR còn dùng thông số hệ thống MAX_CREDITS

để xác định điểm tối đa cho các tuyến truyền, theo đó:

0 ≤ P Credits ≤ MAX_CREDITS (1.8) Giải thuật CBR lưu giữ các giá trị chấp nhận hay loại bỏ luồng tin cho mỗi tuyến truyền bằng một cửa sổ dịch với M yêu cầu tuyến truyền, tương ứng với M ô dịch trên 1 thanh ghi dịch CBR cập nhật cho thanh ghi dịch đo giá trị 1 nếu chấp nhận luồng tin đến, 0 nếu không chấp nhận Số ô có giá trị 0 chia cho M được CBR xem như xác suất nghẽn cho mỗi tuyến truyền trong M yêu cầu kết nối

Ưu nhược điểm của giải thuật: Phương pháp sử dụng của giải thuật CBR khá

đơn giản, hiệu quả khi chỉ cập nhật hệ thống cho điểm mỗi lần tuyến truyền được chọn, tuy nhiên có điều nhược điểm là khi một tuyến truyền ít được chọn thì giá trị điểm của nó sẽ trở nên mất giá trị, dẫn đến việc xử lý chọn đường có nhiều sai sót

3 Giải thuật HLABH (Highest Link Average Bandwidth History) [91], [92]:

Giải thuật này cũng sử dụng tập các tuyến truyền chọn sẵn như CBR hay PSR nghĩa

là HLABH cũng xác định và duy trì tập các tuyến truyền có số bước nhảy là nhỏ nhất giữa nút nguồn và tất cả các nút đích có trên mạng (tập Rmin), đồng thời HLABH còn xác định thêm tập Rmin+1, tương tự tập Ralt được sử dụng với giải thuật

CBR nói trên Ý tưởng chính của HLABH là: HLABH sử dụng băng thông còn lại nhỏ nhất trên mỗi tuyến truyền làm thông số chọn đường cho giải thuật Mỗi liên kết trên tuyến truyền được gán cho một cửa sổ trượt để tính toán băng thông còn lại trung bình Và trên cơ sở kết quả tính toán giá trị các cửa sổ đó, giải thuật sẽ lựa chọn tuyến truyền tốt nhất, Tuyến truyền tốt nhất chính là tuyến truyền có băng thông còn lại trung bình cao nhất trong tất cả các liên kết thuộc tuyền truyền được chọn để định tuyến luồng tin đến Giải thuật HLABH thực hiện việc theo dõi băng thông còn lại qua mạng và duy trì thường xuyên băng thông còn lại trung bình của mỗi liên kết Với việc tính toán băng thông còn lại trung bình của mỗi liên kế, HLABH chỉ ra được khả năng truyền thông tin của tuyến truyền đó

Với HLABH, tại nút nguồn, bên cạnh tập R tuyến truyền xác định trước giữa nút nguồn và nút đích, HLABH còn thực hiện việc gửi các bản tin tạo lập và kiểm tra trên các liên kết của tuyến truyền được lựa chọn, để từ đó chọn ra được tuyến truyền có giá trị băng thông còn lại của mỗi liên kết thấp nhất trên mỗi tuyến truyền Sau đó, các giá trị băng thông còn lại bé nhất của từng tuyến truyền sẽ được so sánh với nhau để tìm ra tuyến truyền có băng thông còn lại trung bình cao nhất của tất cả các tuyến truyền trong tập R trên, sau đó, HLABH sẽ gửi luồng tin trên tuyến truyền

đã chọn

Ưu nhược điểm của giải thuật:Với các mạng không phức tạp hay ít nghẽn, thì

việc xác định được toàn bộ giá trị băng thông còn lại trung bình của mỗi liên kết tương đối dễ dàng, tuy nhiên với những tập tuyến truyền R lớn, HLABH phải thu thập nhiều, so sánh nhiều thì HLABH sẽ gây nghẽn ngay tại nút nguồn, dẫn đến hiệu quả không cao

4 Giải thuật LDCR (Localized Delay-Constrained QoS Routing): Để sử dụng

trễ đầu cuối-đầu cuối làm ràng buộc cho giải thuật định tuyến dùng TTNB, hiện nay

đã có nhiều giải thuật được đề xuất, như LDCR như tại [16], [36] Ý tưởng chính của LDCR là đảm bảo trễ đầu cuối - đầu cuối của mạng đủ đáp ứng được theo kỳ vọng của khách hàng, đồng thời tối ưu hóa xác suất nghẽn toàn mạng Nói cách

khác, giải thuật định tuyến cần tìm một tuyến truyền với xác suất nghẽn tương ứng với ràng buộc trễ đầu cuối - đầu cuối

LDCR là một loại giải thuật trong đó việc tính toán được xử lý từ nút nguồn để tìm ra tuyến truyền khả dụng nhất, có thể thỏa mãn các luồng dữ liệu có yêu cầu QoS LDCR phụ thuộc vào giá trị trễ đầu cuối-đầu cuối trung bình trên toàn tuyến truyền để đưa ra quyết định chọn đường mà dựa hoàn toàn vào các thông tin thu thập được từ nội bộ nút mà thôi Khi một luồng dữ liệu đến, một tuyến truyền có giá trị trung bình của trễ đầu cuối - đầu cuối thấp nhất sẽ được chọn để truyền dữ liệu

đi Giá trị trễ ấy được xem như là thước đo của chất lượng tuyến truyền Sau mỗi lần định tuyến một luồng dữ liệu, LDCR cập nhật giá trị trễ trung bình của tuyến truyền được chọn lựa, và một lần nữa, giá trị này lại được sử dụng là tiêu chuẩn để chọn lựa tuyến truyền cho các luồng dữ liệu đến tiếp theo

Ưu nhược điểm của giải thuật:Với ràng buộc trễ đầu cuối-đầu cuối như trên,

LDCR đã giải quyết tốt bài toán đảm bảo trễ đầu cuối-đầu cuối cho các luồng tin có yêu cầu cao về trễ đầu cuối-đầu cuối, tuy nhiên với việc so sánh chọn tuyến truyền như thế, LDCR yêu cầu thu thập tất cả băng thông còn lại trên tất cả tuyến truyền đến mỗi nút đích Điều này sẽ dẫn đến việc trễ nội tại nút nguồn khi có nhiều tuyến truyền dài (có nhiều bước nhảy) giữa các cặp nút như vậy

5 Giải thuật LDR (Localized Distributed Routing) đề xuất tại [37]:Đây là

giải thuật sử dụng kiểu định tuyến phân tán áp dụng cho giải thuật dùng TTNB LDR chỉ xem xét những liên kết thuộc về các tuyến truyền đã chọn để định tuyến các luồng tin Tại mỗi nút trung gian, chỉ có các tuyến truyền trong tập tuyến truyền

đã được lập sẵn giữa nút nguồn và nút đích mới được xem xét

Quá trình định tuyến của LDR gồm hai pha: Pha 1 chuyển tiếp luồng tin đến đến nút đích của nó, và pha 2 là cập nhật các thông số thống kê định tuyến tại nút nội bộ Các thông số thống kê này được cập nhật với mọi lần chuyển tiếp luồng tin Đồng thời giống như các giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ khác, như CBR, PSR ở trên, LDR cũng xây dựng tập tuyến truyền R giữa nút nguồn và nút đích bằng tổng của hai tập tuyến truyền Rmin và Ralt, như: R = Rmin ∪ Ralt

Trong đó, cách xác định Rmin và Ralt cũng tương tự như các giải thuật CBR, PSR ở trên Sau đó, LDR kiểm tra tất cả các liên kết ra của nút hiện tại trong tập các tuyến truyền đã lập sẵn Liên kết nào có tổng số lần bị chặn ít nhất sẽ được chọn, và sau đó, băng thông còn lại của liên kết trên sẽ được so sánh với yêu cầu về băng thông của luồng tin đến Nếu nó thỏa mãn thì nút liên kết với nút hiện tại qua liên kết vừa so sánh sẽ được chọn làm nút tiếp theo của luồng tin trên tuyến truyền khả dụng Sau khi một nút mới được chọn xong, một chu kỳ tìm kiếm mới sẽ bắt đầu để tìm kiếm các nút tiếp theo trên tuyến truyền khả dụng trên cũng bằng cách tìm kiếm như đã mô tả Quá trình tìm kiếm phân tán này được lặp lại cho đến khi luồng tin đến được nút đích LDR sử dụng hệ thống bản tin để điều khiển quá trình tìm kiếm các yêu cầu QoS cho mọi bước Khi nút nguồn nhận được bản tin thành công chỉ báo rằng yêu cầu truyền luồng tin thành công, LDR sẽ giữ tuyến truyền được chọn cho suốt quá trình truyền luồng tin trên

Ưu nhược điểm của giải thuật: Do tất cả các nút trung gian trong giải thuật

LDR đều lưu giữ toàn bộ tập tuyến truyền lựa chọn giữa nút nguồn và nút đích, nên LDR sẽ tốn nhiều bộ nhớ cho việc tính toán, và đồng thời, mọi nút trung gian phải tìm tuyến truyền như tại nút nguồn, cho nên nó sẽ dễ gây ra trễ cục bộ khi tải tin tăng cao

6 Các giải thuật định tuyến dùng TTNB khác:Việc nghiên cứu các giải thuật

định tuyến dùng TTNB đến nay đã khá phổ biến như trong các nghiên cứu [35], [81], [83], [84], [96]… Cũng như các giải thuật đã khảo sát ở trên, giải thuật định tuyến dùng TTNB trong các nghiên cứu này cũng đã góp phần làm giảm mức độ tính toán khi mạng mở rộng nhanh chóng, đồng thời đảm bảo QoS đến từng luồng tin, theo từng yêu cầu của người dùng, nên có thể đáp ứng tốt các yêu cầu về QoS trong mạng viễn thông phát triển mạnh hiện nay Tuy nhiên, các giải thuật này vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục tương tự như các giải thuật đã khảo sát ở trên Các hạn chế này sẽ được nghiên cứu và khắc phục trong các nghiên cứu của luận án trong các chương sau

1.3 Các vấn đề cần nghiên cứu về định tuyến QoS dùng TTNB

Qua các phân tích ở trên, ta thấy được rằng vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục xem xét và giải quyết, hoàn chỉnh thêm, cụ thể như:

- Giải thuật định tuyến truyền thống có nhiều nhược điểm, nhất là khi mạng viễn thông phát triển mạnh hiện nay, một số yếu điểm sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động định tuyến như việc duy trì các bảng định tuyến, cập nhật chúng thường xuyên, việc tính toán tuyến truyền liên tục … làm cho các nút mạng tốn nhiều thời gian tính toán nhằm duy trì thông tin trạng thái toàn mạng hỗ trợ cho việc định tuyến, nhất là với các mạng lớn, nhiều nút mạng Do đó, giải thuật định tuyến dùng TTNB sẽ là giải pháp hiệu quả để khắc phục được những hạn chế trên

- Các giải thuật định tuyến dùng TTNB hiện tại như đã phân tích, vẫn còn nhiều điểm kế thừa giải thuật truyền thống, trong đó, việc liên tục gửi bản tin lấy giá trị QoS trên các tuyến truyền, rồi so sánh mới tìm ra tuyến truyền sẽ làm thời gian tính toán tuyến truyền tăng lên, đồng thời, khi số nút mạng tăng cao, số tuyến truyền giữa hai nút mạng tăng lên, số bước nhảy của các tuyến truyền cao … thì việc thu thập đầy đủ thông số QoS tuyến truyền rồi mới so sánh là phức tạp, dẫn đến xác suất nghẽn thông tin, nghẽn luồng vẫn cao, nhất là khi mạng đầy tải

- Giải pháp xây dựng tập tuyến truyền còn chưa được đề cập nhiều, mặc dù

nó có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của giải thuật định tuyến dùng TTNB Việc sử dụng nhiều tập tuyến truyền song song tại các nút mạng sẽ làm tăng bộ nhớ, giảm hiệu năng định tuyến tại các nút mạng

- Định tuyến theo kiểu phân tán sẽ rất hiệu quả khi được sử dụng trong giải thuật định tuyến dùng TTNB, tuy nhiên chưa được nghiên cứu sâu để góp phần cải thiện hiệu năng của giải thuật định tuyến dùng TTNB ở chế độ phân tán

- Khắc phục các hạn chế như đã chỉ ra ở phần khảo sát các giải thuật định tuyến dùng TTNB ở trên, cụ thể:

+ Việc phân mảnh dữ liệu để truyền theo các tuyến truyền khác nhau trong tập tuyến truyền chọn sẵn có ưu điểm là tạo ra cân bằng mạng nhưng khi mạng có tải lớn, số lượng nút nhiều, dẫn đến số lượng tuyến truyền trên các cặp nút cao thì

việc phân mảnh quá nhiều sẽ dẫn đến trễ cục bộ rất cao tại các nút mạng đích, dẫn đến hiệu quả chưa cao

+ Việc ứng dụng hai tập tuyến truyền và dùng song song hai tập tuyến truyền là rất hiệu quả khi dùng với mạng nhỏ, ít tuyến truyền Khi nhiều tuyến truyền thì việc này lại làm cho việc chọn đường tại các điểm nguồn trở nên phức tạp, đôi khi quá tải, do lượng tuyến truyền nằm hai tạp khác nhau Việc quản lý lưu lượng trên hai tập sẽ dẫn đến phức tạp trong việc quản lý Từ đó, dẫn đến việc định tuyến chưa thật tốt

+ Việc chọn trực tiếp giá trị QoS của tuyến truyền làm tiêu chuẩn so sánh khá hiệu quả khi mạng nhỏ Nhưng trong mạng lớn, số lượng tuyến truyền tăng lên, thì việc thu thập đầy đủ các giá trị của toàn bộ tuyến truyền sẽ trở nên bất cập Điều này dẫn đến trễ toàn cục, và gây nghẽn luồng ngay tại nút nguồn do phải truy xuất giá trị QoS trên liên tục theo các tuyến truyền để so sánh, chọn tuyến truyền

Việc xác định các hạn chế trên làm cơ sở để phát triển các nghiên cứu của luận

án trong các công trình được khảo sát trong phần sau

1.4 Kết luận chương

Chương này đã trình bày tổng quan về vấn đề đảm bảo QoS trên mạng viễn thông, và các yêu cầu kỹ thuật định tuyến đảm bảo QoS ứng dụng trong mạng viễn thông phát triển hiện nay Các vấn đề về định tuyến đảm bảo QoS cũng được đề cập

và nghiên cứu, trong đó tập trung nghiên cứu giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB, các giải thuật đã được nghiên cứu gần đây, và các hạn chế cần khắc phục để nâng cao hiệu năng định tuyến của các giải thuật đó Từ đó, luận án xác định các vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu, giải quyết và hoàn chỉnh thêm, cụ thể như:

- Nghiên cứu và đề xuất các giải thuật định tuyến sử dụng TTNB, trong đó có

sử dụng nhiều thông số QoS để đánh giá tuyến truyền, nhằm tiến tới xây dựng giải thuật định tuyến hoàn chỉnh Trong đó, vấn đề đánh giá hiệu năng định tuyến là quan trọng nhất, làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình định tuyến hiệu quả Các kết

quả nghiên cứu được công bố trong các công trình [A.7], [A.8], [A.10], [B.4], [B.5]

và [B.6]

- Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp để nâng cao hiệu năng định tuyến của các giải thuật định tuyến sử dụng TTNB như xây dựng tập tuyến truyền linh động, hoàn thiện giải thuật định tuyến theo kiểu phân tán với cơ chế điều khiển linh động,

hỗ trợ cho việc định tuyến tại các mạng phức tạp, có nhiều cấp mạng Các kết quả nghiên cứu này được công bố trong các công trình [A.2], [A.4], [A.5] và [A.8]

- Nghiên cứu và đề xuất xây dựng các công cụ đánh giá mạng viễn thông thông qua các hệ số đánh giá cân bằng tải nhằm hỗ trợ cho việc đánh giá hiệu năng các giải thuật định tuyến Các kết quả nghiên cứu này được công bố trong các công trình [A.1], [A.3], [A.9] và [B.7]

Ngoài ra, Luận án cũng nghiên cứu tổng quan về quá trình phát triển mạng viễn thông hiện nay lên mạng thế hệ mới cùng các yêu cầu đặt ra đối với công nghệ,

kỹ thuật, nhất là kỹ thuật định tuyến trong các nghiên cứu [B.1], [B.2], [B.3] và [A.6] của tác giả