Nghiên cứu đề xuất một số cơ chế tăng cường khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng thông tin chuyển mạch gói (TT)

3.ăPh măviănghiênăc uăc aălu năán:... QOS TRONG M NG IP... Ph ngăphápăgiám sát,ăh năch ăt căđ.

PH MăV NăTH NG

V ăTRONGăM NGăTHỌNGăTINăCHUY NăM CHăGịIă

Chuyên ngành:

Mã s :

K thu t máy tính 62.52.70.10

TÓM T T LU N ÁN TI NăS ăK THU T

Ng i h ng d n khoa h c:

PGS.ăTSKH.ăHoƠngă ngăH i

Hà N i ậ 2013

Ng i h ng d n khoa h c: PGS TSKH Hoàng ng H i

Ph n bi n 1:

Ph n bi n 2:

Ph n bi n 3:

Lu n án đ c b o v t i H i đ ng ch m lu n án c p H c vi n Công ngh B u chính Vi n thông t i:

Vào lúc …….h… ngày … tháng … n m

Có th tìm lu n án t i các th vi n:

- Th vi n Qu c gia

- Th vi n H c vi n Công ngh B u chính Vi n thông

m b o ch t l ng d ch v (QoS – Quality of Service) trong

m ng chuy n m ch gói IP liên quan đ n: 1) Các c ch : Ch p nh n

k t n i, đ nh d ng l u l ng đ u vào (sharping), đ nh trình (scheduling), đi u khi n lu ng tránh t c ngh n, qu n lý b đ m; 2) Các l p: L p v t lý, l p IP, l p truy n t i, l p ng d ng; 3) Các thi t

b trung gian, các thi t b đ u cu i Vi c l a ch n các gói tin đ n nút

m ng s p x p vào hàng đ i và th i đi m đ a l n l t các gói tin đó

ra kh i nút m ng đ chuy n ti p đi đóng m t vai trò đ c bi t quan

tr ng trong vi c đ m b o QoS B đ nh trình t i m i nút m ng có

ch c n ng th c hi n đi u đó và c n đ c thi t k đ đ t đ c s th a

hi p gi a các đ c tính: Hi u qu , công b ng trong c p phát tài

nguyên; m m d o trong vi c đ m b o QoS cho các ng d ng có nhu

c u khác nhau và đ n gi n d th c hi n Do tính bi n thiên c a l u

l ng và kh n ng bùng phát d li u c a các ng d ng trong m ng

IP hi n nay, vi c đ m b o đ ng th i các đ c tính nêu trên v n còn là

v n đ nan gi i, đòi h i nh ng gi i pháp m i xem xét đ n m i quan

h m t thi t c a nhi u y u t tác đ ng khác nhau

1 Tình hình ng hiênăc uătrongăn c,ăngoƠiăn c

Trong m i n m tr l i đây, l nh v c nghiên c u v đ m b o QoS trong m ng IP đã phát tri n m nh m và sôi đ ng trong

n c, nhi u công trình nghiên c u t p trung vào l p ng d ng, truy n t i, t i u đ nh tuy n trong m ng All-IP nh : 1) Phát tri n m t

ki n trúc middleware t ng thích QoS theo ng d ng (AWAQoS) trong môi tr ng đa ph ng ti n phân tán, có kh n ng t thích nghi

v i các đi u ki n tài nguyên c a m ng và h th ng 2) Nghiên c u

c i thi n hi u n ng c a bài toán tìm đ ng và tìm gi i pháp đ nh

tuy n duy trì tính n đ nh c a ch t l ng m ng và h ng đ n vi c

đ m b o QoS toàn trình M t s công trình khác nghiên c u v đ m

b o QoS trong xu h ng h i t m ng, d ch v

ngoài n c, nhi u công trình t p trung vào đi u khi n QoS

l p IP nh : 1) i u khi n QoS theo lu ng gói tin (IntServ), đi u khi n QoS theo l p d ch v (DiffServ); 2) Các mô hình đi u khi n

nh m m c đích gi m đ ph c t p so v i IntServ và t ng kh n ng

qu n lý theo lu ng so v i DiffServ nh TSFQ, QFQ, WF2

Q-M, RFQ 3) C ch qu n lý b đ m 4) C ch đ nh trình (theo l p, theo

lu ng, phân c p,…) 5) đi u khi n lu ng tránh t c ngh n (trong các giao th c TCP, UDP, TCP-like,…) 6) Qu n lý và bù QoS cho các

lu ng gói tin đ c ph c h i sau l i; 7) Giám sát QoS, QoE, SLA

ti n nh TSFQ, QFQ, RFQ Tuy nhiên, qua kh o sát các công trình trong và ngoài n c cho th y còn m t s t n t i nh sau:

- Cho đ n nay v n ch a có b đ nh trình nào cho phép bi t

đ c tr ng thái QoS hi n th i th i có đáp ng nhu c u c a nhóm

ng i dùng hay ch a Vì v y v n đ đ t ra là c n giám sát đ c

l ng đ c giá tr các tham s QoS, t đó đi u khi n b đ nh trình

đ đ t m c QoS phù h p h n

- M t v n đ khác c ng ch a đ c gi i quy t th a đáng trong các b đ nh trình t i nay, đó là ki m soát và h n ch t c đ t i đa c a

lu ng tin, đ c bi t v i lo i ng d ng luôn có xu h ng t n d ng t i

đa b ng thông (ví d t i file, chia s ngang hàng)

- M t khác, t góc đ nhà cung c p d ch v , các lu ng tin cùng gói d ch v c n đ c đ m b o công b ng v thông l ng (công b ng QoS, hay công b ng d ch v ) Gi s m t lu ng tin b l i đ ng truy n ho c l i truy n gói tin trong m t kho ng th i gian ng n, nhu

c u th c t đ t ra là c n có cách bù l i thông l ng đã m t đ đ m

b o tính công b ng d ch v cho các lu ng tin

2.ăM cătiêuăc aălu năán:

T các v n đ t n t i đã nêu ph n trên, lu n án đ t ra m c tiêu là nghiên c u và đ xu t m t s c ch t ng c ng kh n ng

đ m b o QoS trong m ng IP thông qua vi c giám sát QoS c a các

lu ng, t o kh n ng ki m soát, h n ch t c đ t i đa cho ng d ng theo yêu c u c a gói d ch v và đi u khi n đ m b o công b ng thông

l ng, bù QoS theo tr ng s d a trên các tham s giám sát đ c

K t qu c n đ t đ c c a lu n án: 1) xu t và xây d ng c

ch giám sát các tham s QoS t i nút biên m ng c a khách hàng 2)

xu t và xây d ng c ch ki m soát, h n ch t c đ t i đa và đi u khi n bù thông l ng 3) xu t mô hình k t h p các c ch nêu trên 4) Th nghi m, đánh giá mô hình và đ xu t ng d ng

3.ăPh măviănghiênăc uăc aălu năán:

c n gi i quy t, đ xu t mô hình lý thuy t, s d ng công c toán h c

đ phân tích và th c hi n mô ph ng đ đánh giá k t qu mô hình lý thuy t

QOS TRONG M NG IP

1.1.ăM ngăIPăvƠăch tăl ngăd chăv

Ch t l ng d ch v (QoS): là t p h p các tác đ ng c a hi u

su t d ch v , xác đ nh s hài lòng c a ng i s d ng d ch v Ch t

l ng d ch v trong m ng IP bao g m các tham s k thu t nh :

b ng thông, tr , bi n thiên tr , t l m t gói tin

Hình 1.1 là mô hình m ng IP cung c p đa d ch v Các d ch v

vi n thông và Internet cùng s d ng giao th c IP L u l ng c a các

d ch v đ c truy n t i trên h t ng m ng có dây, không dây s d ng các công ngh khác nhau

Hình 1.1 Mô hình m ng IP cung c p đa d ch v

M ng IP ban đ u đ c thi t k đ truy n các gói tin không yêu

c u cao v QoS, nh ng hi n nay đ c s d ng đ truy n t i l u

l ng c a các d ch v trong đó có d ch v yêu c u cao v QoS nh trên hình 1.1, trong đó có các d ch v yêu c u cao v QoS H n n a,

do s d ng các công ngh khác nhau nên vi c đ m b o QoS toàn trình trên m ng IP là khó kh n

Vì v y hi n nay các gi i pháp đ m b o QoS trên m ng IP v n đang đ c quan tâm nghiên c u, đ c bi t là trong m ng th h m i

1.2.ăC ăch ăđ nhătrìnhăđi uăkhi năQoS

Trong các c ch đ nh trình t i nay, đ nh trình theo nhãn th i gian có nhi u u đi m, phù h p v i m ng t c đ cao và đã đ c tri n khai r ng rãi, vì v y lu n án t p trung nghiên c u v c ch đ nh trình này

B đ nh trình theo nhãn th i gian duy trì hàm th i gian o h

th ng (V), th i gian b t đ u (S), k t thúc (F) x lý gói tin T i đ u vào, nút m ng gán cho gói tin t i nhãn th i gian S, F theo giá tr c a hàm th i gian o T i đ u ra, gói tin có nhãn th i gian F nh nh t

đ c ch n đ chuy n đi Các b đ nh trình lo i này có kh n ng đ m

Hình 1.10 mô t c ch gán nhãn cho gói tin c a WFQ và các

c ch đ nh trình d a trên nhãn th i gian Các gói tin c a m i lu ng

đ c s p x p vào hàng đ i c a lu ng đó M i gói tin t i pi

kđ c gán nhãn th i gian b t đ u, k t thúc t ng ng là Si

2 l n l t là 4, 8, 16, 20, 24 T i m i th i đi m, b đ nh trình xét các gói tin đ u hàng đ i (Head Of Line -HOL) và ch n gói tin có nhãn

th i gian k t thúc nh nh t đ đ a ra Theo ví d nh trên hình 1.8,

gói tin p2 có F2 =4 nh nh t, vì v y p2 đ c ch n đ chuy n đi

20 24

p 2

16 20

p 2

8 16

p 2

4 8

p 2

0 4

p 2

32 40

P 3

24 32

P 3

16 24

P 3

8 16

P 3

0 8

M đ u v n ch a đ c gi i quy t th a đáng

1.3.ăC ăch ăgiámăsátăQoSă

Giám sát đ có th bi t tình tr ng cung c p QoS đ có đi u

ch nh phù h p M t s c ch giám sát đi n hình nh sau:

- Giám sát tr ng thái kênh b ng mô hình Markov hai tr ng thái: c l ng tr ng thái ti p theo t tr ng thái tr c đó

- D a theo ph ng pháp EWMA, th i gian tr (RTT-Round Trip Time) trung bình t i m t th i đi m đ c c l ng d a trên

m t s l ng nh t đ nh các gói tin đ c truy n đi:

- Giám sát b ng thông: B ng thông t i nút c chai đ c xác

đ nh b ng mô hình c p gói (Hình 1.12) nh sau:

l n l t là th i đi m gói tin 0, gói tin 1 đ n nút m ng th nh t; th

Qu n

lý d ch

v và

đi u khi n Truy n

gói tin

nh trình

nh d ng l u

l ng

Qu n lý

b đ m Phân lo i

Hình 2.1 C u trúc đi u khi n QoS

b đ nh trình có th đi u ch nh QoS phù h p c n có giám sát, đánh giá hi n tr ng QoS Tuy nhiên, c u trúc c a các c ch đ nh

trình hi n nay nh trong Hình 2.1 ch a xem xét đ n đi u này

Ch ng 2 c a lu n án s trình bày v m t c ch giám sát QoS m i,

đ c đ t tên là QoSM (QoS Monitoring Mechanism)

giám sát các tham s QoS, c n l a ch n ph ng pháp giám sát, đi m đo, ngoài ra vi c giám sát QoS c ng c n đ m b o nh ng yêu c u nh sau: 1) Có kh n ng tích h p vào b đ nh trình đi n hình

hi n có 2) Ít nh h ng t i hi u su t c a h th ng đ c giám sát 3)

K t qu giám sát và báo cáo v các vi ph m QoS có đ chính xác cao 4) Có hi u su t cao đ m b o vi c g i báo cáo vi ph m QoS k p

th i 5) M m d o, kh n ng m r ng: áp ng yêu c u giám sát nhi u lu ng d li u v i yêu c u QoS khác nhau đ ng th i

2.3 Mô hình giám sát QoSM:

Các tham s QoS đ c giám sát

User

Profile,

SLA

Phân tích offline

đ c; ch c n ng phân tích và tính các tham s QoS M c đích c a QoSM là giám sát và đánh giá tr ng thái QoS đ i v i m t s lu ng

k t n i t CE1 (thi t b biên m ng t i đi m 1) t i CE2 (thi t b biên

m ng t i đi m 2) Ch c n ng các thành ph n nh sau:

Agent là g n v i thi t b biên m ng c a khách hàng Agent

tích online l a ch n thông tin đo đ c đ l u tr , phân tích so sánh,

tìm m i t ng quan gi a d li u thu đ c t các Agent Kh iăphơnă

tích offline th c hi n phân tích d li u đ c tr và yêu c u QoS c a

ng i dùng, đánh giá các tham s QoS (b ng thông, tr , packet lost)

có th tri n khai mô hình QoSM, c n có các c ch giám sát các tham s QoS c th Trong các ph n ti p theo, lu n án s đ

xu t m t s ph ng pháp giám sát đ i v i m t s tham s QoS c

th , phù h p v i mô hình QoSM đã đ xu t và phù h p v i vi c tích

h p vào b đ nh trình nh s trình bày trong ch ng 3

2.4 Ph ngăphápăgiám sát,ăh năch ăt căđ

2.4.1 Ph ngăphápăgiám sát, h năch ăt căđ trênăm tănútăm ng

Phát bi uăbƠiătoán: Gi s m t k t n i ra t i nút CE ph c v

n lu ng tin (1 n) nh trên Hình 2.6 M i lu ng tin ph c v yêu c u

k t n i cho m t d ch v c a m t ng i s d ng, v i giá tr b ng thông t i đa là Mi V n đ c n gi i quy t là: đ a ra c ch x lý t i nút m ng đ đ m b o t c đ lu ng i luôn nh h n ho c b ng Mi

Hình 2.6 Yêu c u h n ch t c đ lu ng i t i nút m ng N1

* xu t ph ng pháp giám sát, h n ch t c đ RateMon:

gi i quy t bài toán nêu trên, lu n án đ xu t ph ng pháp giám sát RateMon (Rate monitoring) Ph ng pháp x lý c a RateMon là xác đ nh t c đ c a m t lu ng tr c khi chuy n gói tin

c a lu ng đó đi Gói tin c a lu ng ch đ c chuy n đi n u t c đ c a

lu ng không v t quá t c đ t i đa Mi cho phép Nh v y RateMon

là c ch x lý online vì nó th c hi n ki m tra và x lý t ng gói tin:

T c đ trung bình trong kho ng Tmon đ c tính nh sau:

t c đ trung bình c a lu ng i trong kho ng th i gian Tmon.

h n ch t c đ c a lu ng i, tr c khi chuy n m i gói tin

c a nó đi, ta ki m tra t c đ trung bình:

đ đánh giá m c đ công b ng thông l ng theo tr ng s , PTD, PLR

c a m i lu ng có đ t theo yêu c u trong SLA hay không

gi i quy t v n đ nêu trên, lu n án s d ng ph ng pháp PAE nêu trên và ph ng pháp QoSMon (QoS Monitoring) nh sau:

h n; đ ng th i tích l y các giá tr QoS trong các kho ng Tmon liên

ti p đ xác đ nh các giá tr QoS trong th i gian dài h n (toàn b th i gian giám sát) S d ng các giá tr QoS giám sát trong Tmon đ đi u khi n, đáp ng yêu c u QoS trong th i gian dài h n.

QoSMon đ c mô t trong Hình 2.9 Agent 1 chèn vào ph n mào đ u c a gói tin tham s Tsnd (th i đi m g i gói tin) và PktSqNo (s th t c a gói tin) Khi nh n đ c các gói tin, Agent 2 s c n c vào Tsnd và PktSqNo đ tính các tham s QoS trong ng n h n và dài

h n g m: b ng thông (BW), th i gian tr (PTD), bi n thiên tr (PDV), t l m t gói tin (PLR), và hàm QoS (FQoS)

nh ngh a 2.1: G i FQoSi (t)là hàm ch t l ng d ch v c a

lu ng i t i th i đi m t nh sau:

i

i QoS

i

w

tTt

Trong đó: wi là tr ng s c a lu ng i; Ti(t) là thông l ng trung bình c a lu ng i tính đ n th i đi m t, đ c tính nh sau:

0

( )( )

k i i

Trong đó now là th i đi m Agent 2 nh n đ c gói tin, Tsnd là

th i gian Agent 1 g i gói tin đó đi

* Giám sát t l m t gói tin (PLR):

- PLR đ c Agent 2 tính d a trên tham s PktSqNo c a gói tin nh n đ c, c th nh sau:

T l m t gói tin đ c tính nh sau:

) ( ) ( )

(

t TotalPkt

t LostPkt t

PLR

i

i

m t và t ng s gói tin nh n đ c c a lu ng i tính đ n th i đi m t Trong cách tính này, ta gi thi t các gói tin đ n tr m đích theo đúng

th t phát tr m ngu n

* Th i gian giám sát Tmon:

i v i nút m ng ph c v n lu ng gói tin 1 n, giá tr Tmon

đ c s d ng chung cho các lu ng đ c ch n nh sau:

ch đi n hình có nhi u u đi m và đã đ c tri n khai r ng rãi Do

đó, lu n án th c hi n tri n khai c ch m i trên n n gi i thu t

WF2Q+ và mô ph ng so sánh hai c ch này đ minh ch ng, đánh giá u đi m c a c ch m i so v i WF2

n12

n10

n9 n11

B ng 2.2 Tham s c a các lu ng mô ph ng giám sát

Hình 2.16 là k t qu mô ph ng thông l ng K t qu mô

ph ng đã ch ng minh m c tiêu đ t ra trong ch ng này đã đ t đ c,

đó là QoSM giám sát đ c các tham s nh FQoS, PLR, t c đ c a các lu ng D a trên tham s QoS giám sát đ c, QoSM đã th c hi n

h n ch t c đ c a lu ng theo t c đ t i đa yêu c u; Lu ng 0 b gi i

h n thông l ng 2,5 Mbps QoSM hoàn toàn co th áp d ng cho c

ch đ nh trình m i s đ c trình bày trong ch ng ti p theo

1 WF2Q+

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Thoi gian (s)

Luong 0 Luong 2

2 QoSM Hình 2.16 K t qu mô ph ng thông l ng

SÁT

Trong ch ng 2, lu n án đã đ xu t c ch QoSM đ th c hi n giám sát các tham s QoS Trong ch ng này, lu n án trình bày v

c ch đ m b o ch t l ng d ch v d a trên các tham s QoS đ c giám sát có tên là MQCM (Monitoring-based QoS Control Mechanism) MQCM có nh ng đ c đi m nh sau:

- S d ng c ch giám sát QoSM đã đ xu t ch ng 2 đ tính giá tr các tham s QoS

- Ki m soát, h n ch đ c t c đ c a lu ng i theo t c đ t i đa

Mic a nó (theo c ch RateMon đ xu t ch ng 2)

- S d ng m t b đ nh trình m i có tên là MPWPS (Max-rated Per-flow Weight-compensation Scheduler) đ c đ xu t trong lu n

án đ đi u ch nh tr ng s , bù thông l ng đ đ m b o s công b ng thông l ng cho các lu ng theo tr ng s c a chúng trong th i gian dài, ngay c trong tr ng h p chúng b l i và sau đó đ c ph c h i

3.2 Môăhìnhăc ăch ăMQCM

Hàng đ i

1

n

.

Hình 3.1 Yêu c u x lý n lu ng gói tin t i k t n i ra

Phátăbi uăbƠiătoán: T i m t k t n i đ u ra c a nút m ng biên

c a khách hàng (CE) b ng thông C ph c v n lu ng gói tin (Hình 3.1) M i lu ng k t n i ph c v yêu c u k t n i cho m t d ch v c a

ng i s d ng Các lu ng có tr ng s là wi (i= 1 n), trong đó có m t

s lu ng c n h n ch t c đ t i đa là Mi(v i lu ng i không h n ch

t c đ , Mi=0) V n đ đ t ra nh sau:

1) Trên c s các tham s QoS đã giám sát đ c thông qua các

c ch giám sát đã trình bày trong ch ng 2, c ch đi u khi n QoS

c n h n ch t c đ c a các lu ng theo t c đ t i đa Mi

2) Ph c v các lu ng công b ng theo tr ng s c a chúng (tr

lu ng có Mi >0) k c khi m t lu ng b l i sau đó ph c h i