Từ các vấn đề tồn tại đã nêu ở phần trên, luận án đặt ra mục tiêu là nghiên cứu và đề xuất một số cơ chế tăng cường khả năng đảm bảo QoS trong mạng IP thông qua việc giám sát QoS của các luồng, tạo khả năng kiểm soát, hạn chế tốc độ tối đa cho ứng dụng theo yêu cầu của gói dịch vụ và điều khiển đảm bảo công bằng thông lượng, bù QoS theo trọng số dựa trên các tham số giám sát được.
Trang 1TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học:
PGS TSKH Hoàng Đăng Hải
Hà Nội – 2013
Trang 2Người hướng dẫn khoa học: PGS TSKH Hoàng Đăng Hải
Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Đình Việt, Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2: PGS TS Đặng Văn Chuyết, Đại học Bách khoa Hà
Nội
Phản biện 3: PGS TS Đào Tuấn, Viện Khoa học và Công nghệ
Quân sự
Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông tại: Hội trường tầng 2, Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông, Số 122 đường Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội
Vào lúc: 14h00 ngày 18 tháng 12 năm 2013
Có thể tìm luận án tại các thư viện:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trang 41
MỞ ĐẦU
Đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service) trong
mạng chuyển mạch gói IP liên quan đến: 1) Các cơ chế: Chấp nhận
kết nối, định dạng lưu lượng đầu vào (sharping), định trình (scheduling), điều khiển luồng tránh tắc nghẽn, quản lý bộ đệm; 2)
Các lớp: Lớp vật lý, lớp IP, lớp truyền tải, lớp ứng dụng; 3) Các thiết
bị trung gian, các thiết bị đầu cuối Việc lựa chọn các gói tin đến nút mạng sắp xếp vào hàng đợi và thời điểm đưa lần lượt các gói tin đó
ra khỏi nút mạng để chuyển tiếp đi đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong việc đảm bảo QoS Bộ định trình tại mỗi nút mạng có chức năng thực hiện điều đó và cần được thiết kế để đạt được sự thỏa
hiệp giữa các đặc tính: Hiệu quả, công bằng trong cấp phát tài nguyên; mềm dẻo trong việc đảm bảo QoS cho các ứng dụng có nhu cầu khác nhau và đơn giản dễ thực hiện Do tính biến thiên của lưu
lượng và khả năng bùng phát dữ liệu của các ứng dụng trong mạng
IP hiện nay, việc đảm bảo đồng thời các đặc tính nêu trên vẫn còn là vấn đề nan giải, đòi hỏi những giải pháp mới xem xét đến mối quan
hệ mật thiết của nhiều yếu tố tác động khác nhau
1 Tình hình nghiên cứu trong nước, ngoài nước
Trong mười năm trở lại đây, lĩnh vực nghiên cứu về đảm bảo QoS trong mạng IP đã phát triển mạnh mẽ và sôi động Ở trong nước, nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào lớp ứng dụng, truyền tải, tối ưu định tuyến trong mạng All-IP như: 1) Phát triển một kiến trúc middleware tương thích QoS theo ứng dụng (AWAQoS) trong môi trường đa phương tiện phân tán, có khả năng tự thích nghi với các điều kiện tài nguyên của mạng và hệ thống 2) Nghiên cứu cải thiện hiệu năng của bài toán tìm đường và tìm giải pháp định
Trang 52
tuyến duy trì tính ổn định của chất lượng mạng và hướng đến việc đảm bảo QoS toàn trình Một số công trình khác nghiên cứu về đảm bảo QoS trong xu hướng hội tụ mạng, dịch vụ
Ở ngoài nước, nhiều công trình tập trung vào điều khiển QoS lớp IP như: 1) Điều khiển QoS theo luồng gói tin (IntServ), điều khiển QoS theo lớp dịch vụ (DiffServ); 2) Các mô hình điều khiển nhằm mục đích giảm độ phức tạp so với IntServ và tăng khả năng quản lý theo luồng so với DiffServ như TSFQ, QFQ, WF2Q-M, RFQ 3) Cơ chế quản lý bộ đệm 4) Cơ chế định trình (theo lớp, theo luồng, phân cấp,…) 5) điều khiển luồng tránh tắc nghẽn (trong các giao thức TCP, UDP, TCP-like,…) 6) Quản lý và bù QoS cho các luồng gói tin được phục hồi sau lỗi; 7) Giám sát QoS, QoE, SLA hoặc đảm bảo QoS trong xu hướng hội tụ mạng, dịch vụ
QoS toàn trình phụ thuộc vào QoS tại mỗi nút mạng, và phụ thuộc vào việc lựa chọn gói tin của bộ định trình, thời gian trễ và khả năng mất gói tin tại bộ đệm Tới nay nhiều nghiên cứu về bộ định trình cho kết quả khả thi trong việc tăng cường khả năng đảm bảo QoS trong mạng IP, điển hình là bộ định trình WF2Q+ và các cải tiến như TSFQ, QFQ, RFQ Tuy nhiên, qua khảo sát các công trình trong và ngoài nước cho thấy còn một số tồn tại như sau:
- Cho đến nay vẫn chưa có bộ định trình nào cho phép biết được trạng thái QoS hiện thời thời có đáp ứng nhu cầu của nhóm người dùng hay chưa Vì vậy vấn đề đặt ra là cần giám sát để ước lượng được giá trị các tham số QoS, từ đó điều khiển bộ định trình
để đạt mức QoS phù hợp hơn
- Một vấn đề khác cũng chưa được giải quyết thỏa đáng trong các bộ định trình tới nay, đó là kiểm soát và hạn chế tốc độ tối đa của
Trang 63
luồng tin, đặc biệt với loại ứng dụng luôn có xu hướng tận dụng tối
đa băng thông (ví dụ tải file, chia sẻ ngang hàng)
- Mặt khác, từ góc độ nhà cung cấp dịch vụ, các luồng tin cùng gói dịch vụ cần được đảm bảo công bằng về thông lượng (công bằng QoS, hay công bằng dịch vụ) Giả sử một luồng tin bị lỗi đường truyền hoặc lỗi truyền gói tin trong một khoảng thời gian ngắn, nhu cầu thực tế đặt ra là cần có cách bù lại thông lượng đã mất để đảm bảo tính công bằng dịch vụ cho các luồng tin
2 Mục tiêu của luận án:
Từ các vấn đề tồn tại đã nêu ở phần trên, luận án đặt ra mục tiêu là nghiên cứu và đề xuất một số cơ chế tăng cường khả năng đảm bảo QoS trong mạng IP thông qua việc giám sát QoS của các luồng, tạo khả năng kiểm soát, hạn chế tốc độ tối đa cho ứng dụng theo yêu cầu của gói dịch vụ và điều khiển đảm bảo công bằng thông lượng, bù QoS theo trọng số dựa trên các tham số giám sát được Kết quả cần đạt được của luận án: 1) Đề xuất và xây dựng cơ chế giám sát các tham số QoS tại nút biên mạng của khách hàng 2)
Đề xuất và xây dựng cơ chế kiểm soát, hạn chế tốc độ tối đa và điều khiển bù thông lượng 3) Đề xuất mô hình kết hợp các cơ chế nêu trên 4) Thử nghiệm, đánh giá mô hình và đề xuất ứng dụng
3 Phạm vi nghiên cứu của luận án:
Đảm bảo QoS trong mạng IP là những vấn đề rộng và phức tạp, vì vậy phạm vi nghiên cứu của luận án là cơ chế định trình trong mặt phẳng dữ liệu của lớp IP, tại nút biên mạng của khách hàng, nơi tập trung các luồng gói tin của người dùng
4 Phương pháp nghiên cứu:
Luận án nghiên cứu, khảo sát các công trình liên quan để tìm những tồn tại, lựa chọn vấn đề sẽ giải quyết Hệ thống hóa các vấn đề
Trang 74
cần giải quyết, đề xuất mô hình lý thuyết, sử dụng công cụ toán học
để phân tích và thực hiện mô phỏng để đánh giá kết quả mô hình lý thuyết
CHƯƠNG 1 VẤN ĐỀ GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN
QOS TRONG MẠNG IP
1.1 Mạng IP và chất lượng dịch vụ
Chất lượng dịch vụ (QoS): là tập hợp các tác động của hiệu
suất dịch vụ, xác định sự hài lòng của người sử dụng dịch vụ Chất
lượng dịch vụ trong mạng IP bao gồm các tham số kỹ thuật như: băng thông, trễ, biến thiên trễ, tỷ lệ mất gói tin
Hình 1.1 là mô hình mạng IP cung cấp đa dịch vụ Các dịch vụ viễn thông và Internet cùng sử dụng giao thức IP Lưu lượng của các dịch vụ được truyền tải trên hạ tầng mạng có dây, không dây sử dụng
các công nghệ khác nhau
Hình 1.1 Mô hình mạng IP cung cấp đa dịch vụ
Mạng IP ban đầu được thiết kế để truyền các gói tin không yêu cầu cao về QoS, nhưng hiện nay được sử dụng để truyền tải lưu lượng của các dịch vụ trong đó có dịch vụ yêu cầu cao về QoS như trên hình 1.1, trong đó có các dịch vụ yêu cầu cao về QoS Hơn nữa,
do sử dụng các công nghệ khác nhau nên việc đảm bảo QoS toàn trình trên mạng IP là khó khăn
Trang 85
Vì vậy hiện nay các giải pháp đảm bảo QoS trên mạng IP vẫn đang được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là trong mạng thế hệ mới
1.2 Cơ chế định trình điều khiển QoS
Trong các cơ chế định trình tới nay, định trình theo nhãn thời gian có nhiều ưu điểm, phù hợp với mạng tốc độ cao và đã được triển khai rộng rãi, vì vậy luận án tập trung nghiên cứu về cơ chế định trình này
Bộ định trình theo nhãn thời gian duy trì hàm thời gian ảo hệ
thống (V), thời gian bắt đầu (S), kết thúc (F) xử lý gói tin Tại đầu vào, nút mạng gán cho gói tin tới nhãn thời gian S, F theo giá trị của hàm thời gian ảo Tại đầu ra, gói tin có nhãn thời gian F nhỏ nhất
được chọn để chuyển đi Các bộ định trình loại này có khả năng đảm bảo QoS, tách biệt dịch vụ và bình đẳng giữa các luồng tin WFQ sử
dụng hàm thời gian ảo V(t) như sau:
Hình 1.10 mô tả cơ chế gán nhãn cho gói tin của WFQ và các
cơ chế định trình dựa trên nhãn thời gian Các gói tin của mỗi luồng
được sắp xếp vào hàng đợi của luồng đó Mỗi gói tin tới p i
Ví dụ: Giá trị
thời gian kết thúc F 2 k của các gói tin thứ k =1, 2, 3, 4, 5 thuộc phiên
Trang 96
2 lần lượt là 4, 8, 16, 20, 24 Tại mỗi thời điểm, bộ định trình xét các
gói tin đầu hàng đợi (Head Of Line -HOL) và chọn gói tin có nhãn
thời gian kết thúc nhỏ nhất để đưa ra Theo ví dụ như trên hình 1.8,
được chọn để chuyển đi
Hình 1.10 Gán nhãn thời gian và xử lý gói tin trong WFQ
Nhận xét: Các bộ định trình điển hình đã được đề xuất tới nay
vẫn còn một số tồn tại, ví dụ như: 1) Chưa sử dụng user profile để cấp phát băng thông theo yêu cầu của người dùng 2) Chưa có giám sát 3) Các phương pháp bù thông lượng hiện chưa sử dụng băng thông hiệu quả hoặc làm ảnh hưởng tới QoS của các luồng khác trong khi bù Ngoài ra, ba vấn đề tồn tại chủ yếu như đã nêu ở phần
Mở đầu vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng
1.3 Cơ chế giám sát QoS
Giám sát để có thể biết tình trạng cung cấp QoS để có điều chỉnh phù hợp Một số cơ chế giám sát điển hình như sau:
- Giám sát trạng thái kênh bằng mô hình Markov hai trạng thái: ước lượng trạng thái tiếp theo từ trạng thái trước đó
- Dựa theo phương pháp EWMA, thời gian trễ (RTT-Round Trip Time) trung bình tại một thời điểm được ước lượng dựa trên một số lượng nhất định các gói tin được truyền đi:
RTT
t là trễ truyền gói tin k+1, tRTT k là trễ trung bình của
k gói tin, γ là hệ số ước lượng của EWMA
Trang 10lần lượt là thời điểm gói tin 0, gói tin 1 đến
nút mạng thứ nhất; t h , t h lần lượt là thời điểm gói tin 0, gói tin 1 đến
nút mạng cuối cùng; C b,j là băng thông của kết nối cổ chai j
Nhận xét: 1) Các phương pháp này chưa sử dụng được để
điều khiển QoS theo yêu cầu 2) Cần có phương pháp giám sát các tham số QoS phục vụ cho việc điều khiển nâng cao QoS
CHƯƠNG 2 CƠ CHẾ GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ
2.1 Nhu cầu giám sát QoS
Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển QoS
Để bộ định trình có thể điều chỉnh QoS phù hợp cần có giám sát, đánh giá hiện trạng QoS Tuy nhiên, cấu trúc của các cơ chế định
Trang 118
trình hiện nay như trong Hình 2.1 chưa xem xét đến điều này Chương 2 của luận án sẽ trình bày về một cơ chế giám sát QoS mới,
được đặt tên là QoSM (QoS Monitoring Mechanism)
Để giám sát các tham số QoS, cần lựa chọn phương pháp giám sát, điểm đo, ngoài ra việc giám sát QoS cũng cần đảm bảo những yêu cầu như sau: 1) Có khả năng tích hợp vào bộ định trình điển hình hiện có 2) Ít ảnh hưởng tới hiệu suất của hệ thống được giám sát 3) Kết quả giám sát và báo cáo về các vi phạm QoS có độ chính xác cao 4) Có hiệu suất cao đảm bảo việc gửi báo cáo vi phạm QoS kịp thời 5) Mềm dẻo, khả năng mở rộng: Đáp ứng yêu cầu giám sát nhiều luồng dữ liệu với yêu cầu QoS khác nhau đồng thời
2.3 Mô hình giám sát QoSM:
Hình 2.3 Mô hình QoSM Luận án đề xuất cơ chế QoSM để thu thập, lưu trữ, đánh giá các tham số QoS tại nút biên mạng theo luồng tin (Hình 2.3) gồm các thành phần: User profile lưu các thông tin về QoS cần đáp ứng, các Agent đo và thu thập dữ liệu; chức năng lọc và lưu trữ dữ liệu đo được; chức năng phân tích và tính các tham số QoS Mục đích của QoSM là giám sát và đánh giá trạng thái QoS đối với một số luồng
Trang 129
kết nối từ CE1 (thiết bị biên mạng tại điểm 1) tới CE2 (thiết bị biên mạng tại điểm 2) Chức năng các thành phần như sau:
Agent là gắn với thiết bị biên mạng của khách hàng Agent
thực hiện đồng thời giám sát thụ động và đo chủ động. Khối Phân tích online lựa chọn thông tin đo được để lưu trữ, phân tích so sánh, tìm mối tương quan giữa dữ liệu thu được từ các Agent Khối phân tích offline thực hiện phân tích dữ liệu được trữ và yêu cầu QoS của
người dùng, đánh giá các tham số QoS (băng thông, trễ, packet lost)
Để có thể triển khai mô hình QoSM, cần có các cơ chế giám sát các tham số QoS cụ thể Trong các phần tiếp theo, luận án sẽ đề xuất một số phương pháp giám sát đối với một số tham số QoS cụ thể, phù hợp với mô hình QoSM đã đề xuất và phù hợp với việc tích hợp vào bộ định trình như sẽ trình bày trong chương 3
2.4 Phương pháp giám sát, hạn chế tốc độ
2.4.1 Phương pháp giám sát, hạn chế tốc độ trên một nút mạng Phát biểu bài toán: Giả sử một kết nối ra tại nút CE phục vụ
n luồng tin (1 n) như trên Hình 2.6 Mỗi luồng tin phục vụ yêu cầu
kết nối cho một dịch vụ của một người sử dụng, với giá trị băng
thông tối đa là M i Vấn đề cần giải quyết là: đưa ra cơ chế xử lý tại
nút mạng để đảm bảo tốc độ luồng i luôn nhỏ hơn hoặc bằng M i
Hình 2.6 Yêu cầu hạn chế tốc độ luồng i tại nút mạng N1
* Đề xuất phương pháp giám sát, hạn chế tốc độ RateMon:
Trang 1310
Để giải quyết bài toán nêu trên, luận án đề xuất phương pháp
giám sát RateMon (Rate monitoring) Phương pháp xử lý của
RateMon là xác định tốc độ của một luồng trước khi chuyển gói tin
của luồng đó đi Gói tin của luồng chỉ được chuyển đi nếu tốc độ của
luồng không vượt quá tốc độ tối đa M i cho phép Như vậy RateMon
là cơ chế xử lý online vì nó thực hiện kiểm tra và xử lý từng gói tin:
tốc độ trung bình của luồng i trong khoảng thời gian Tmon.
Để hạn chế tốc độ của luồng i, trước khi chuyển mỗi gói tin
của nó đi, ta kiểm tra tốc độ trung bình:
phục vụ n luồng tin Mỗi luồng kết nối có các chỉ tiêu chất lượng
(trọng số, PTD, PLR) khác nhau Vấn đề cần giải quyết là: giám sát
để đánh giá mức độ công bằng thông lượng theo trọng số, PTD, PLR của mỗi luồng có đạt theo yêu cầu trong SLA hay không
Để giải quyết vấn đề nêu trên, luận án sử dụng phương pháp
PAE nêu trên và phương pháp QoSMon (QoS Monitoring) như sau:
- Thực hiện giám sát trong một khoảng thời gian ngắn Tmon
(Tmon: Thời gian giám sát) để đánh giá các tham số QoS trong ngắn
Trang 1411
hạn; đồng thời tích lũy các giá trị QoS trong các khoảng Tmon liên tiếp để xác định các giá trị QoS trong thời gian dài hạn (toàn bộ thời gian giám sát) Sử dụng các giá trị QoS giám sát trong Tmon để điều khiển, đáp ứng yêu cầu QoS trong thời gian dài hạn.
QoSMon được mô tả trong Hình 2.9 Agent 1 chèn vào phần
mào đầu của gói tin tham số Tsnd (thời điểm gửi gói tin) và PktSqNo
(số thứ tự của gói tin) Khi nhận được các gói tin, Agent 2 sẽ căn cứ
vào Tsnd và PktSqNo để tính các tham số QoS trong ngắn hạn và dài
hạn gồm: băng thông (BW), thời gian trễ (PTD), biến thiên trễ (PDV), tỷ lệ mất gói tin (PLR), và hàm QoS (FQoS)
Hình 2.9 Phương pháp giám sát QoS phối hợp 2 nút mạng
* Hàm QoS:
Việc đưa ra một hàm QoS phản ánh mức độ chất lượng dịch
vụ là khó do tính phức tạp, sự liên quan giữa các tham số QoS Tuy nhiên, thông lượng theo trọng số có thể dùng để biểu diễn mức độ đáp ứng dịch vụ cho một luồng tin, dùng cho cơ chế bù thông lượng
Định nghĩa 2.1: Gọi F i (t)
QoS là hàm chất lượng dịch vụ của
luồng i tại thời điểm t như sau:
i
i QoS
i
w
t T t
Trong đó: w i là trọng số của luồng i; T i (t) là thông lượng
trung bình của luồng i tính đến thời điểm t, được tính như sau:
