Trong xu thế phát triển và hội tụ công nghệ, mạng truyền thông thế hệ mới (NGN) được hình thành nhằm đáp ứng nhu cầu truyền thông các loại hình dịch vụ đa phương tiện, đặc biệt là các loại hình dịch vụ trên Internet. Trễ gói IP trong mạng truyền tải NGN là yếu tố có ý nghĩa và tính chất quyết định chất lượng dịch vụ đặc biệt là các dịch vụ tương tác thời gian thực. Phương pháp xác định trễ gói IP trong mạng truyền tải NGN đã và đang được nghiên cứu nhưng cho đến nay vẫn còn nhiều điểm tồn tại và vấn đề mở đang được tranh luận. Đây là một trong những hướng nghiên cứu có tính thời sự và cần thiết trong giai đoạn phát triển và hoàn thiện NGN trên toàn cầu.
Trang 1
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
_
Đào Ngọc Lâm
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TRỄ GÓI IP TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI
Trang 2Phản biện 1: GS TS PHAN XUÂN MINH
Phản biện 2: PGS TS ĐỖ QUỐC TRINH
Phản biện 3: GS TS VŨ ĐỨC THI
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại Học viện công nghệ Bưu chính – Viễn thông
Vào hồi 15 giờ, ngày 03 tháng 04 năm 2014
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện quốc gia Việt Nam
- Trung tâm thông tin thư viện, học viện Công nghệ Bưu chính – Viễn thông
Trang 3
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Function
Hàm phân bố xác suất tích lũy
Estimation
Ước lượng khả năng cực đại (giống nhất)
Trang 4
- 1 -
MỞ ĐẦU i) Bối cảnh, lý do lựa chọn và sự cần thiết của đề tài luận án
Trong xu thế phát triển và hội tụ công nghệ, mạng truyền thông thế hệ mới (NGN) được hình thành nhằm đáp ứng nhu cầu truyền thông các loại hình dịch vụ đa phương tiện, đặc biệt là các loại hình dịch vụ trên Internet Trễ gói IP trong mạng truyền tải NGN là yếu tố
có ý nghĩa và tính chất quyết định chất lượng dịch vụ đặc biệt là các dịch vụ tương tác thời gian thực Phương pháp xác định trễ gói IP trong mạng truyền tải NGN đã và đang được nghiên cứu nhưng cho đến nay vẫn còn nhiều điểm tồn tại và vấn đề mở đang được tranh luận Đây là một trong những hướng nghiên cứu có tính thời sự và cần thiết trong giai đoạn phát triển và hoàn thiện NGN trên toàn cầu
ii) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là phương pháp xác định trễ gói IP cùng với các đặc trưng thống kê của nó Phạm vi nghiên cứu như sau:
Trễ gói IP một chiều xét trong phạm vi mạng truyền tải lõi NGN
Các đặc trưng thống kê liên quan trễ gói IP được xét đến gồm biến động trễ và phân bố trễ xét trong miền thời gian
iii) Mục đích, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Mục đích nghiên cứu là giải quyết các bài toán khoa học và thực tiễn như lựa chọn phương pháp đo, ước lượng và tổng hợp trễ gói IP, phân tích các đặc trưng trễ gói, so sánh hiệu năng mạng về phương diện trễ gói tin, từ đó đánh giá mức độ hiệu quả sử dụng mạng Kết quả nghiên cứu bổ sung và hệ thống hóa cơ sở lý thuyết mô hình hóa và khoa học đo lường và có thể vận dụng vào thực tiễn quản lý khai thác, đánh giá hiệu năng mạng, cụ thể là xác định trễ gói
IP trên các phạm vi mạng truyền tải lõi NGN một cách linh hoạt,
Trang 5Bài toán đặt ra cần giải quyết là xác định các phương pháp và mô hình toán biểu diễn IPTD, phân bố IPTD, IPDV và các đại lượng đặc trưng thống kê liên quan, mối tương quan giữa trễ toàn trình với trễ trên các thành phần của mạng truyền tải lõi NGN, đồng thời kiểm nghiệm kết quả bằng cách đánh giá sai số giữa mô hình lý thuyết và
mô hình thực nghiệm có được từ dữ liệu đo ở mạng thực tế
Bài toán được xét đến với giả thuyết mạng truyền tải lõi NGN có cấu hình xác lập trước, được sử dụng để truyền tải lưu lượng đa dịch
vụ truyền thông trong điều kiện hoạt động bình thường, sai số gây ra bởi phương tiện hỗ trợ đo thống kê IPTD không đáng kể
1.2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu là thiết lập các phương pháp và mô hình toán xác định trễ gói IP cùng với các đặc trưng phân bố trễ và biến động trễ gói IP trong mạng truyền tải lõi NGN
Các nội dung nghiên cứu chính bao gồm:
Trang 6- 3 -
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp luận, mô hình thực mạng thực tế và các điều kiện thực nghiệm liên quan đến việc xác định số đo thống kê IPTD qua mạng truyền tải NGN
Nghiên cứu phương pháp xác định mô hình toán ước lượng tham
số phân bố IPTD qua mạng truyền tải lõi NGN từ dữ liệu thống kê thực nghiệm, so sánh và đánh giá sai số giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm để lựa chọn mô hình phù hợp từ các mô hình giả thuyết
Nghiên cứu phương pháp thiết lập mô hình toán tổng hợp hàm phân bố IPTD qua liên mạng truyền tải NGN từ các tham số phân bố trễ thành phần, xác định quan hệ và quy luật phụ thuộc của tham số
và mô-men phân bố toàn trình vào các tham số IPTD thành phần
Nghiên cứu phương pháp và mô hình toán ước lượng IPDV toàn trình từ các mô-men phân bố IPTD thành phần, đánh giá sai số để lựa chọn mức phân vị của CDF thực nghiệm đối với IPTD toàn trình qua liên mạng lõi NGN; thiết lập mô hình toán xác định IPDV qua nút mạng truyền tải NGN đa dịch vụ
1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp chủ yếu và xuyên suốt trong luận án là phân tích toán học xác suất thống kê, mô phỏng bằng mô phỏng MATHLAB
và tiến hành thực nghiệm để kiểm nghiệm giả thuyết
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỐ ĐO TRỄ GÓI
IP QUA MẠNG TRUYỀN TẢI NGN 2.1 NGN VÀ MẠNG TRUYỀN TẢI NGN
Khác với mạng truyền dữ liệu truyền thống, NGN có kiến trúc phân lớp và nhiều giao thức mới liên quan để cung cấp đa loại hình dịch vụ bao gồm cả thoại, video, dữ liệu và các dịch vụ gia tăng ký
Trang 7- 4 -
sinh khác và được sử dụng trong mạng NGN Do vậy các đặc trưng trễ gói IP ắt hẳn có sự thay đổi so với mạng truyền thống trước đó Với kiến trúc phân tầng và phân miền trong NGN, IPTD được hình thành và tích lũy từ các phần tử mạng xử lý lưu lượng đa loại hình dịch vụ và các kết nối truyền tải IP/MPLS có băng thông rộng, tốc độ cao Việc tích hợp IP với chuyển mạch nhãn đa giao thức tốc
độ cao có thể làm thay đổi tính chất của IPTD trong mạng lõi NGN
2.2 MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỐ ĐO
với N là số nút mạng gói đi qua, T s là thời điểm bit đầu tiên của gói
xuất hiện trong hàng đợi của nút mạng phát, T r là thời điểm bit cuối
cùng của gói đến hàng đợi của nút mạng thu, D prop là trễ lan truyền
qua môi trường truyền tải, D q là trễ hàng đợi phụ thuộc vào lưu
lượng và là đại lượng ngẫu nhiên, D tr =L/s là trễ phát gói với s là tốc
độ đường truyền ngõ ra, L là kích thước gói, D proc = D h +D p là trễ xử
lý gói IP với D h , D p tương ứng là trễ xử lý phần mào đầu và chuyển tiếp phần tải tin
Phương pháp tích cực sử dụng gói dò có cấu trúc xác định với nhãn thời gian, số trình tự được chèn vào luồng lưu lượng truyền tải qua mạng giữa các điểm đo và phương pháp thụ động dựa trên việc giám sát để chọn gói mang lưu lượng trực tiếp từ các phần tử mạng hoặc các tác tử (agent) tại các điểm đo qua giao thức SNMP có thể được vận dụng kết hợp để xác định số đo IPTD
Trang 8- 5 -
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ TRỄ
GÓI IP QUA MẠNG TRUYỀN TẢI NGN
3.1 XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ IPTD QUA MẠNG BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ
Nội dung nghiên cứu giải quyết bài toán gồm các bước: xác định các họ phân bố giả thuyết cạnh tranh sau khi loại trừ các họ phân bố không phù hợp trên cơ sở các phân tích định tính và định lượng sơ bộ phân bố thực nghiệm của trễ gói IP mang lưu lượng Internet truyền tải qua mạng lõi NGN, ước lượng các tham số phân bố giả thuyết, so sánh và đánh giá sự phù hợp và sai số giữa mô hình phân bố lý thuyết và thực nghiệm để lựa chọn mô hình tối ưu
3.1.1.1 Phương pháp ước lượng tham số phân bố
i) Phương pháp cân bằng mô-men
Phương pháp cân bằng mô-men dựa trên cơ sở cân bằng mô-men phân bố mẫu đo thực nghiệm với mô-men phân bố theo lý thuyết:
ii) Phương pháp MLE
Giả sử d là biến ngẫu nhiên có CDF là F(d,θ) và PDF là f(d,θ) với θ={θ 1 ,2, …, θ P } là tập tham số phân bố, d={d 1 , d 2 …,d N } là tập
mẫu quan sát được Hàm L(θ | d) được định nghĩa là hàm khả năng
có được giá trị θ khi biết trước giá trị d hay gọi tắt là hàm khả năng Nguyên tắc của phương pháp MLE là xác định nghiệm Θ để hàm khả năng L(θ | d) đạt cực đại theo đối số:
(3.15) Phương pháp được giải quyết trên cơ sở giả thiết các tập mẫu có phân bố độc lập với nhau với hàm khả năng như sau:
Trang 9- 6 -
(3.16) (3.17)
Có thể nhận thấy điều kiện cực đại của L(θ | d) cũng chính là
điều kiện cực đại của và được xác định bởi hệ phương trình:
3.1.1.2 Phương pháp lựa chọn và đánh giá sai số mô hình
Các mô hình phân bố cạnh tranh được so sánh để lựa chọn mô hình phù hợp nhất thông qua việc đánh sai số của mô hình lý thuyết
so với phân bố thực nghiệm theo các phương pháp sau:
i) Phân tích các đặc trưng phân bố thực nghiệm
Mô hình phân bố IPTD giả thuyết được lựa chọn sơ bộ dựa trên việc khảo sát tập mẫu thống kê thu thập được theo các tiêu chí như:
- Xác định các tham số thống kê cơ bản như: giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất, kỳ vọng, phương sai hay các mô-men bậc thấp
- Phân tích đồ thị phân bố trễ để xác định các thuộc tính tiềm ẩn như tỉ lệ phân bố giữa thân và đuôi, tính đối xứng
ii) Loại bỏ mô hình phân bố không phù hợp
Phương pháp này dựa trên việc kiểm tra số liệu thống kê theo phân bố thực nghiệm so với số liệu tính toán từ phân bố giả thuyết để loại trừ các mô hình không phù hợp theo với các tiêu chí:
- Độ lệch giữa mẫu thực nghiệm so với mô hình giả thuyết không chấp nhận được
- Hệ số của mô hình phân bố không thể ước lượng được với
độ bất định cho phép
Trang 10- 7 -
- Không phù hợp quy luật biến thiên của dữ liệu và không thể tiên đoán được các mẫu với độ tin cậy nhất định
iii) Chọn mô hình phân bố tối ưu
Phương pháp chọn phân bố tối ưu dựa trên lý thuyết biến đổi tích phân xác suất được sử dụng để lựa chọn phân bố có sai số bé nhất còn lại sau khi loại trừ các phân bố không phù hợp: Nếu biến ngẫu
nhiên X có CDF là hàm liên tục F X (x) thì Y= F X (X) là biến ngẫu
nhiên có phân bố đồng nhất trong [0, 1] Vì vậy, có thể quy việc
kiểm tra tập giá trị quan sát D={d1,d2,…d M} theo mô hình phân bố
F D (d,) về phép kiểm tra tập giá trị Y={F D (d1,), F D (d2,),…
F D (d M ,)} có phù hợp với mô hình phân bố đồng nhất hay không:
Bước 1: Thu thập mẫu dữ liệu thống kê: d 1 < d 2 < … < d M
Bước 2: Thực hiện phép ánh xạ {d i}i[1,M]{Y i =F X (d i ,)} i [1,M]
trong đó là tập tham số ước lượng và F D (d,) là CDF giả thuyết
đối với tập mẫu D Y i được mong đợi tuân theo CDF đồng nhất:
Bước 5: Lựa chọn phân bố giả thuyết có sai số E chấp nhận được
3.1.2 Thiết lập và lựa chọn mô hình toán ước lượng tham số 3.1.2.1 Ước lượng tham số phân bố gamma chuyển dịch
Mô hình phân bố gamma chuyển dịch có PDF và CDF như sau:
Trang 11- 8 -
trong đó, là tham số định dạng, là tham số tỉ lệ, là
tham số định vị hay chuyển dịch theo trục thời gian,
i) Phương pháp cân bằng mô-men
Trang 12
trong đó: là tham số định dạng, là tham số tỉ lệ,
là tham số định vị, miền phân bố:
i) Phương pháp cân bằng mô-men
l= min i[1,N] (d i ); (3.67)
(3.73)
3.1.2.3 Lựa chọn phương pháp ước lượng tham số
Các nghiên cứu mô phỏng bằng MATHLAB đã được thực hiện với số lượng mẫu trên 10000 cho thấy phương pháp MLE có độ chính xác cao hơn phương pháp cân bằng mô-men Kết quả ước
Trang 13- 10 -
lượng theo phương pháp mô-men có thể nằm ngoài không gian tham
số khi số lượng mẫu lớn trong khi đó phương pháp MLE có thể được vận dụng với không gian mẫu có kích thước lớn và có tính hội tụ về giá trị chính xác khi tăng dần số lượng mẫu
Trên cơ sở các phân tích lý thuyết, kết quả mô phỏng và điều kiện thực nghiệm cho phép thu thập và xử lý số lượng mẫu đủ lớn, phương pháp MLE được lựa chọn để tính toán ước lượng tham số phân bố trong khi phương pháp mô-men chỉ được sử dụng như phép ước lượng thô để xác định sơ bộ phân bố ban đầu
3.1.3 Thiết lập mô hình và điều kiện thực nghiệm đo IPTD
qua mạng truyền tải lõi NGN
Mô hình đo IPTD thực nghiệm trong mạng truyền tải lõi NGN của VNPT được mô tả ở hình 3.7 được đề xuất thiết lập nhằm thu thập dữ liệu thống kê phục vụ cho việc nghiên cứu các phương pháp xác định phân bố và biến động trễ gói IP ở các chương 3 và 4 Phạm
vi đo thực nghiệm bao hàm tập hợp các phần tử định tuyến, chuyển mạch tại lõi và biên cùng với các kết nối băng rộng trong mạng truyền tải lõi NGN có dung lượng kênh 10–50 Gb/s, năng lực xử lý của nút mạng là 1600 Gbit/s (half-duplex), mức tải lưu lượng và xử
lý chiếm dụng trung bình 40 – 70% tài nguyên mạng Lý do lựa chọn mức tải như trên là vì đây là mức tải phổ biến trong điều kiện hoạt động bình thường, hơn nữa các thiết bị mạng đều có giới hạn nhất định về năng lực xử lý trong khi dung lượng tài nguyên mạng lõi NGN nêu trên là khá cao
Các điều kiện thực nghiệm được lựa chọn dựa trên các khuyến nghị về khung lý thuyết đo hiệu năng IP Các gói dò được tạo ra, thu thập và xử lý tại các nút mạng theo các chính sách khác nhau nhờ địa chỉ cổng, loại giao thức và các trường thông tin đặc biệt như mã phân
Trang 14- 11 -
biệt lớp lưu lượng của các loại hình dịch vụ DSCP/EXP chèn trong mào đầu IP/MPLS của gói tin truyền tải qua môi trường DiffServ trong mạng NGN Thông tin này có được nhờ việc truy vấn cấu hình chính sách chất lượng dịch vụ (QoS) từ các phần tử mạng
Yêu cầu đặt ra đối với tập mẫu thu thập được cần có số lượng mẫu đủ lớn (10000 - 1000000 mẫu) và việc lấy mẫu được tiến hành tại các thời điểm (giờ trong ngày, ngày trong tuần và trong tháng, tháng trong năm) và tình huống khác nhau với tải lưu lượng khác nhau, trên các phân đoạn mạng bao gồm các phần tử mạng và kết nối khác nhau [VI] Các yêu cầu này nhằm đảm bảo tập mẫu điển hình được khảo sát một cách hệ thống và khá đầy đủ, giảm thiểu sai số của kết quả thống kê thực nghiệm do trễ gói IP trong thực tế có thể là một quá trình ngẫu nhiên không dừng theo không gian và thời gian Mẫu kết quả đo được thu thập với đơn vị đo là 1/1000 giây Do đặc trưng tải lưu lượng trong mạng truyền tải lõi NGN rất lớn nên khó có thể thực hiện gửi gói theo một chu kỳ cố định mà chỉ có thể điều khiển duy trì chu kỳ hội tụ về một mức trung bình là 1 giây Với chu kỳ này, để đạt được số mẫu nói trên, cần thời gian đo tương ứng xấp xỉ 3 giờ cho đến 11 ngày đối với một phân đoạn mạng
Dữ liệu IPTD thực nghiệm liên quan đến lưu lượng dịch vụ Internet được sử dụng để nghiên cứu đối với các mô hình đề xuất ở chương 3 Dữ liệu IPTD thực nghiệm liên quan đến lưu lượng đa loại hình dịch vụ bao gồm Internet, truyền dữ liệu qua mạng riêng ảo (Virtual Private Network), thoại và video qua IP (VoIP, V2IP), truyền hình qua IP (IPTV), hội nghị truyền hình, video theo yêu cầu (VoD), các dịch vụ gia tăng ký sinh trên Internet được sử dụng để nghiên cứu đối với các mô hình đề xuất ở chương 4
Trang 15- 12 -
3.1.4 Đề xuất chọn mô hình phân bố IPTD đối với lưu lượng
Internet qua mạng truyền tải lõi NGN
Phương pháp MLE và giải thuật đánh giá sai số mô hình theo phương pháp biến đổi tích phân xác suất được vận dụng để lựa chọn
mô hình phân bố tối ưu đối với lưu lượng Internet qua mạng truyền tải lõi NGN từ dữ liệu đo thống kê thực nghiệm
Từ các phân tích đặc trưng phân bố thực nghiệm cho thấy IPTD đối với thành phần lưu lượng Internet trong miền mạng truyền tải lõi NGN cùng với kết quả khảo sát từ các nghiên cứu trước, một số mô hình phân bố giả thuyết được lựa chọn để kiểm tra sự phù hợp của
mô hình như: ‘gamma’, ‘Pareto’, 'exponential', ‘Gaussian ‘, normal’, 'weibull'
‘Log-Căn cứ vào các kết quả kiểm tra sơ bộ các tập mẫu gồm 10.000 mẫu thống kê thu được từ số đo thực nghiệm, các mô hình phân bố gamma chuyển dịch và phân bố Pareto có sai số giữa phân bố lý thuyết và thực nghiệm nằm trong dải chấp nhận được (trong vòng 10%) nên được chọn làm các mô hình giả thuyết cạnh tranh để lựa chọn mô hình phù hợp với IPTD trong mạng truyền tải lõi NGN Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số đánh giá thống kê mô hình gamma chuyển dịch có sai số phần lớn trong dải 3–7% Các nghiên cứu thực nghiệm tương tự cũng đã được thực hiện đối với mô hình Pareto tổng quát và cho kết quả sai số trung bình xấp xỉ 10%
3.2 XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ TRỄ GÓI IP QUA LIÊN MẠNG
TRUYỀN TẢI NGN NHỜ TỔNG HỢP HÀM PHÂN BỐ
Bài toán đặt ra là xác định mô hình toán biểu diễn phân bố và mối quan hệ phụ thuộc tham số của IPTD toàn trình trên cơ sở tổng hợp các hàm phân bố của IPTD trong các mạng thành phần có được
từ kết quả ước lượng tham số đã được trình bày