Kiểm soát chất lượng dịch vụ trong mạng thế hệ mới (quality or service control in next generation networks)

Yêu cầu đặt ra đối với mạng NGN là theo kỹ thuật chuyển mạch gói, liên quan tới giao thức IP và MultiProtocol Label Switching MPLS, nó là sự hội tụ về dịch vụ tức là các nhà cung cấp dịc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ

CẤN THỊ PHƯỢNG

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ MẠNG THẾ HỆ MỚI 1

1.1 Định nghĩa mạng NGN 1

1.2 Mô hình kiến trúc NGN do ITU-T đề nghị 5

1.2.1 Các khối chức năng tại stratum vận chuyển 5

1.2.1.1 Transport Functions 6

1.2.1.2 Transport control Functions 6

1.2.2 Các khối chức năng tại stratum dịch vụ 7

1.2.3 Management functions 9

1.2.4 End-user functions 9

1.3 Con đường đi tới NGN 9

CHƯƠNG 2- KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG THẾ HỆ MỚI 11

2.1 Định nghĩa chất lượng dịch vụ 12

2.2 Hợp đồng chất lượng dịch vụ - SLA 13

2.3 Giới thiệu và so sánh các mô hình QoS được tiêu chuẩn hóa bởi một số tổ chức 14

2.3.1 Kiến trúc kiểm soát QoS tại stratum dịch vụ 15

2.3.2 Kiến trúc kiểm soát QoS cho stratum vận chuyển 17

2.3.2.1 IMS 18

2.3.2.2 RACS 19

2.3.2.3 RACF 20

2.3.3 So sánh giữa RACS, IMS, và RACF 25

2.3.4 Kết luận 26

2.4 Mô hình E2E QoS cho một kiến trúc mạng NGN cụ thể 27

2.4.1 Kiến trúc mạng 27

2.4.2 Các mô hình QoS sử dụng trong kiến trúc mạng tham chiếu 28

2.4.2.1 Các mô hình QoS trong mạng truy cập 28

2.4.2.2 Kiến trúc QoS trong lõi mạng 38

2.4.3 QoS liên mạng trong mạng tham chiếu 40

2.4.4 Kết luận 43

2.5 Các khối QoS trong kiến trúc mạng IP NGN của Cisco 44

2.5.1 Kiến trúc mạng IP NGN của Cisco 44

2.5.2 Framework DiffServ QoS trong mạng IP NGN của Cisco 48

2.5.2.1 Phân lớp và đánh dấu 48

2.5.2.2 Chính sách lưu lượng (traffic policing) 48

2.5.2.3 Shaping 49

2.5.2.4 Kết hợp giữa các cơ chế phân lớp, chính sách lưu lượng, shaping 49

2.5.2.5 Cơ chế tránh tắc nghẽn dùng Weighted Random Early Detection 49

2.5.2.6 Quản lý tắc nghẽn 50

2.5.2.7 Chế độ đường hầm dùng DiffServ (DiffServ Tunnel Mode) trong mạng MPLS 50

2.5.3 Hỗ trợ QoS cụ thể cho các phân lớp trong mạng IP NGN 52

2.5.3.1 Các phân lớp QoS trong mạng IP NGN 52

2.5.3.2 QoS cho các ứng dụng trong mạng IP NGN 53

2.6 Một số nghiên cứu khác về kiểm soát QoS trong NGN 55

2.7 Kết luận 57

CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG VIỆC KIỂM SOÁT QoS TRONG MẠNG NGN 59

3.1 Tích hợp framework hỗ trợ QoS có ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong mạng NGN dùng giao thức SIP 59

3.1.1 Một số yêu cầu đối với framework 59

3.1.2 Các thành phần của framework 61

3.1.3 Chức năng của framework 64

3.1.3.1 Chức năng đo lường QoS (task1) 64

3.1.3.2 Chức năng kiểm soát truy nhập (task 2) 64

3.1.3.3 Chức năng kiểm soát QoS (task 3) 66

3.2 Lập hồ sơ QoS 66

3.2.1 Mạng nơ-ron nhân tạo ART-2 67

3.2.2 Phân lớp ảo người dùng cuối trong mạng NGN 69

3.2.3 Điều chỉnh giá trị tham số vigilance 70

3.2.4 Cơ chế bootstrap 72

3.2.5 Chọn điểm giám sát QoS trong framework 74

3.3 Giải pháp khắc phục hạn chế trong cơ chế phân nhóm ảo người dùng trong framework 77

3.3.1 Giải pháp tìm giá trị tham số vigilance tối ưu 77

3.3.2 Giải pháp hạn chế sự gia tăng phân nhóm trong ART-2 79

3.3.3 Cơ chế cải tiến cho việc phân nhóm người dùng trong framework 80

3.4 Kết luận 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

3GPP Third Generation Partnership Project

AAC Advanced Admission Control

AIFS Arbitration Inter Frame Space

A-RACF Access-Resource and Admission Control Function

ART-2 Adaptive Resonance Theory 2

ASN-GW Access Service Network Gateway

ATM Asynchronous Transfer Mode

BAS Broadband Access Server

BE Best-Effort

BEB Backbone Edge Bridge

BGF Border Gateway Function

BS Base Station

CBWFQ Class-Based Weighted Fair Queuing

CIR Committed Information Rate

CPE Customer-Premises Equipment/Customer-Provided Equipment CSCF Call Session Control Function

DCF Distributed Coordination Function

DiffServ Differentiated Services

DIFS DCF Inter Frame Space

DSCP Differentiated Services Field Code Points

DSLAM DSL Access Multiplexer

EDCA Enhanced Distributed Chanel Access

ESP Ethernet Switched Path

ETSI European Telecommunications Standards Institute

GGSN Gateway general packet radio service support node

HCCA Hybrid Coordination Function Controlled Channel Access HSS Home Subscriber Server

IETF Internet Engineering Task Force

IFS Inter-Frame Space

IMS IP Multimedia Subsystem

IP-CN Internet Protocol-Core Network

ITU-T International Telecommunication Union - Telecommunication LLQ Low-latency queuing

LSP Label–Switched Path

MAC Media Access Control

MPLS MultiProtocol Label Switching

NACF Network attachment control functions

NAPT Network address and port translation

NGN Next Generation Network

NSIS Next Steps in Signaling

OSI Open Systems Interconnection Reference Model

OSPF Open Shortest Path First

PBB Provider Backbone Bridge

PBBN Provider Backbone Bridge Networks

PBB-TE Provider Backbone Bridging Traffic Engineered

PCF Point Coordination Function

PDF Policy decision function

PD-FE Policy Decision Function Entity

PDG Packet Data Gateway

PDP Policy Decision Point

PEC Path Computation Element

PE-FE Policy Enforcement Functional Entity

PEP Policy Enforcement Point

PHB Per Hop Behavior

PSTN Public Switched Telephone Network

QAP QoS Access Point

QoS Quality of Service

QoS L&C QoS logic and Controller

RACF Resource and Admission Control Functions RACS Resource and Admission Control Subsystem RCEF Resource Control Enforcement Function

RDR Resource decision request

RFC Request for Comments

RIP Resource initiation response

RIR Resource initiation request

RSVP Resource-Reservation Protocol

rtPS Real-time polling services

SCF Service Control Function

SDP Session Description Protocol

SGSN Serving general packet radio service support node SIFS Short Inter Frame Space

SIP Session Initiation Protocol

SLA Service Level Agreement

TE Traffic Engineering

TISPAN Telecoms and Internet converged Services and Protocols for

Advanced Networks TRC-FE Transport Resource Control Functional entity

TRE-FE Transport Resource Enforcement Functional Entity

TSPEC Traffic SPECifications

TXOP Transmit Opportunity

UAG User Access Gate

UGS Unsolicited Grant Services

UMTS Universal Mobile Communication System

VLAN Virtual LAN

VoIP Voice over Internet Protocol

VPN Virtual Private Networks

WAG Wireless Access Gateway

WAN Wide Area Networks

WFQ Weighted Fair Queuing

WiMAX Worldwide Inter-operability for Microwave Access

WLAN Wireless Local Area Network

WRED Weighted Random Early Detection

xDSL Digital Subscriber Line, x có thể là A, hoặc H, hoặc V, hoặc R,

hoặc I

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh giữa mạng PSTN, Internet, NGN 4

Bảng 2.1 So sánh giữa RACS, IMS, và RACF 26

Bảng 2.2 Ánh xạ giữa UP và AC trong EDCA 31

Bảng 2.3 Ánh xạ giữa các nhóm WLAN EDCA với WiMAX 41

Bảng 2.4 Ánh xạ giữa các tham số của lưu lượng mạng 802.11e và 802.16 42

Bảng 2.5 Ánh xạ giữa WiMAX và ESP 43

Bảng 2.6 Triển khai QoS cho các phân lớp ứng dụng 53

Bảng 3.1 Ví dụ về sự điều chỉnh giá trị vigilance khi phân lớp dùng ART-2 71

Bảng 3.2 Luật điều chỉnh giá trị vigilance 72

Bảng 3.3 Ví dụ tính giá trị phù hợp để chọn điểm làm giám sát QoS 76

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sự tách biệt giữa dịch vụ và vận chuyển trong NGN (Nguồn: Rec Y.2011) 5

Hình 1.2 Kiến trúc chức năng NGN của ITU-T (Nguồn: ITU-T, 2004) 8

Hình 2.1 Kiến trúc kiểm soát NGN với IMS, RACF, RACS (Nguồn: Changho Yun và Harry Perros, 2010) 16

Hình 2.2 Thủ tục đặt chỗ tài nguyên QoS do SCF yêu cầu (Nguồn: ITU-T, 2006) 22

Hình 2.3 Thủ tục đặt chỗ tài nguyên theo yêu cầu xuất phát từ CPE (Nguồn: ITU-T, 2006) 24

Hình 2.4 Kiến trúc tham chiếu (Nguồn: Pavithra Ramaswamy, 2009) 28

Hình 2.5 Các IFS 30

Hình 2.6 Ví dụ của PBBN (Nguồn: IEEE Communications Magazine, 2008) 35

Hình 2.7 Định dạng I-Tag và B-Tag 36

Hình 2.8 Header MPLS 39

Hình 2.9 Kiến trúc IP NGN của Cisco (Nguồn: Cisco, 2008) 45

Hình 2.10 RFC-4594 đã chỉnh sửa theo Cisco (Nguồn: Cisco, 2009) 52

Hình 3.1 Mạng NGN sử dụng giao thức SIP được tích hợp framework (Nguồn: Weber và Trick, 2008) 62

Hình 3.2 Sơ đồ khối UAG (Nguồn: Weber và Trick, 2008) 63

Hình 3.3 Sơ đồ khối của QoS L&C (Nguồn: Weber và Trick, 2008) 63

Hình 3.4 Mô hình kiến trúc mạng nơ-ron ART-2 (Nguồn: Jiang-Bo Yin và Hong-Bin Shen, 2011) 68

Hình 3.5 Cơ chế phân lớp ảo người dùng trong mạng NGN 70

Hình 3.6 Cơ chế bootstrap 73

Hình 3.7 Cơ chế cải tiến cho phân nhóm ảo người dùng trong framework 80

ưu thế Theo quy luật tự nhiên, thị trường nào thuận lợi sẽ thu hút nhiều nhà đầu tư,

mà nhiều nhà đầu tư dẫn tới là cạnh tranh, từ đó giá thành sẽ được giảm, muốn giá thành giảm mà vẫn đem lại lợi nhuận cao, các nhà đầu tư phải cải tiến công nghệ Chính vì vậy cùng với nhiều lý do khác, nhà cung cấp mạng nghĩ tới việc cung cấp dịch vụ liên quan tới thoại trong mạng sử dụng giao thức Internet Protocol (IP) Nhưng một vấn đề cố hữu của mạng IP là không có hoặc có rất ít sự đảm bảo chất lượng dịch vụ Do đó kiến trúc mạng thế hệ mới –Next Generation Network (NGN) được đề nghị Yêu cầu đặt ra đối với mạng NGN là theo kỹ thuật chuyển mạch gói, liên quan tới giao thức IP và MultiProtocol Label Switching (MPLS), nó là sự hội tụ

về dịch vụ (tức là các nhà cung cấp dịch vụ - Service Provider (SP) có thể cung cấp bất kì dịch vụ nào trong một kiến trúc mạng duy nhất), hội tụ mạng (cho phép dịch

vụ truyền qua bất cứ mạng nào), hội tụ hợp tác (cho phép các công ty hợp tác trên nhiều lĩnh vực), và đảm bảo QoS trong môi trường mạng hội tụ

Với mục tiêu tiếp cận các kỹ thuật kiểm soát chất lượng dịch vụ trong mạng NGN, luận văn của tôi là “Kiểm soát chất lượng dịch vụ trong mạng thế hệ mới”

Nội dung gồm 3 chương:

Chương 1- Tổng quan về mạng thế hệ mới

Giới thiệu về mạng NGN, kiến trúc và các khối chức năng, đặc trưng cơ bản

và so sánh với các mạng PSTN và Internet để thấy được cơ hội cũng như thách thức khi xây dựng mạng NGN

Chương 2- Kiểm soát chất lượng trong mạng thế hệ mới

Phân tích một số mô hình kiểm soát chất lượng dịch vụ So sánh một số mô hình kiểm soát chất lượng của một số tổ chức chuẩn hóa Đánh giá các ưu nhược điểm của từng mô hình

Chương 3-Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong kiểm soát chất lượng dịch vụ cho mạng thế hệ mới

Giới thiệu framework được tích hợp trong mạng NGN của ETSI TISPAN và ITU-T, cho phép kiểm soát chất lượng dịch vụ có ứng dụng trí tuệ nhân tạo Phân tích đánh giá framework và đề xuất cách cải tiến

Tôi xin gửi lời cám ơn tới cha mẹ đã luôn hỗ trợ và khuyến khích tôi đạt được mục đích cao hơn trong cuộc sống Tôi cũng gửi lời cám ơn tới chồng tôi Người đã luôn cho tôi sức mạnh, sự hy vọng trong những thời điểm khó khăn Đặc

biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với Giáo sư Nguyễn Thúc Hải,

người đã dành cho tôi sự hướng dẫn nhiệt tình và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Trong khoảng thời gian có hạn, luận văn không tránh khỏi những sai sót về nội dung cũng như hình thức Kính mong nhận được sự góp ý của qu ý thầy cô, bạn

bè và đồng nghiệp

Nha Trang, tháng 03 năm 2012 NGƯỜI THỰC HIỆN

KS CẤN THỊ PHƯỢNG

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ MẠNG THẾ HỆ MỚI

Với mục đích tìm ra một kiến trúc mạng đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng cùng với yêu cầu giảm chi phí và cải thiện tính bảo mật, trên

cơ sở xem xét sự phát triển của ngành công nghiệp truyền thông, sự bùng nổ của lưu lượng IP và sự hội tụ mạng, năm 2004 tổ chức tiêu chuẩn hóa toàn cầu International Telecommunication Union - Telecommunication (ITU-T) đã đề nghị kiến trúc mạng NGN

Trong chương này tập trung giới thiệu định nghĩa, các đặc trưng cơ bản, kiến trúc và các khối chức năng của mạng NGN do ITU-T đề nghị

1.1 Định nghĩa mạng NGN

Mạng NGN là một khái niệm rộng bao trùm rất nhiều kiểu mạng từ không dây tới có dây Nó được thiết kế để có thể hỗ trợ được tất cả các ứng dụng, dữ liệu, dịch vụ trên nền tảng một kiến trúc chung duy nhất

Một kiến trúc mạng hội tụ thành công cần phải hỗ trợ được các nhóm dịch vụ sau:

- Các dịch vụ truyền hình: là dịch vụ trước đây được truyền bởi đường dây trên mặt đất, không khí, vệ tinh, hoặc cáp

Trước đây các dịch vụ này được triển khai trên nhiều loại mạng khác nhau ví

dụ mạng doanh nghiệp sử dụng IP/MPLS, mạng di động, mạng Internet, xDSL, … Việc chi phí cho các thiết bị cũng như xử lí riêng biệt của các mạng này là rất lớn, nên cần phải xây dựng được một mạng đơn nhất có thể hỗ trợ cho tất cả các dịch vụ trên Cùng với nhiều lí do khác như khắc phục hạn chế “best effort” của Internet, có nhiều băng thông hơn so với cùng chi phí cho mạng chuyển mạch kênh, vận hành mạng đơn giản hơn… ITU-T đã định nghĩa mạng thế hệ mới NGN được hiểu như sau: NGN là mạng chuyển mạch gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông cho người dùng và có khả năng sử dụng băng thông rộng, kĩ thuật vận chuyển có hỗ trợ QoS và các chức năng liên quan tới dịch vụ là độc lập với các kĩ thuật liên quan tới vận chuyển tại tầng dưới Nó cho phép người dùng tự do lựa chọn nhà cung cấp

và dịch vụ Nó hỗ trợ khả năng di động cho phép nhất quán dịch vụ và dịch vụ tại mọi nơi mọi lúc cho người dùng

Các đặc trưng của NGN:

- Truyền thông tin dưới dạng gói

- Tách biệt chức năng điều khiển theo khả năng của đường truyền (bearer capabilities), cuộc gọi/phiên, ứng dụng/dịch vụ

- Tách riêng giữa cung cấp dịch vụ với vận chuyển, và cung cấp giao diện mở

- Hỗ trợ một loạt các dịch vụ, ứng dụng và cơ chế dựa trên các khối dịch vụ (bao gồm dịch vụ hướng thời gian thực/dịch vụ hướng luồng/dịch vụ không phải thời gian thực và đa phương tiện.)

- Băng thông rộng hỗ trợ QoS đầu cuối (end-to-end) và trong suốt

- Liên mạng giữa các mạng đang tồn tại theo giao diện mở

- Khả năng di động

- Người dùng được quyền lựa chọn các nhà cung cấp dịch vụ

- Lược đồ định danh đa dạng cho phép phân giải địa chỉ IP theo mục đích định tuyến trong mạng IP

- Sự thống nhất giữa các thông số dịch vụ cung cấp với thông số yêu cầu của người dùng

- Các dịch vụ hội tụ giữa mạng cố định và di động

- Độc lập giữa chức năng liên quan dịch vụ với các kĩ thuật truyền tải ở tầng dưới (đảm bảo mô hình phân lớp)

- Hỗ trợ các công nghệ mới nhất

- Tuân theo tất cả các yêu cầu quản lý, điều tiết ví dụ bảo mật/chính sách

Để làm rõ hơn về mạng NGN ta có thể so sánh một số thuộc tính của mạng NGN, mạng PSTN và mạng Internet Trong khi cả NGN và Internet đều dùng kĩ thuật chuyển mạch gói với việc cung cấp dịch vụ cho khách hàng, thì PSTN sử dụng kĩ thuật chuyển mạch kênh theo chiến lược dồn kênh theo thời gian – Time Division Multiplexing (TDM) Đối với bản thân Internet và NGN cũng có sự khác biệt, trong khi Internet cung cấp dịch vụ trên cơ sở “best effort”, tức là không có sự tin cậy cũng như đảm bảo chất lượng cung cấp dịch vụ, ngược lại NGN lại lại đảm bảo điều này (thường thì tùy theo chi phí mà việc đảm bảo chất lượng sẽ thay đổi) Một sự khác biệt nữa giữa NGN và Internet là trong khi kiến trúc dịch vụ của Internet là “ad hoc” (máy chủ ứng dụng được đặt tại biên mạng, mỗi dịch vụ của nhà cung cấp khác nhau lại được cung cấp theo các cách khác nhau) ngược lại trong mạng NGN cần có một kiến trúc đồng nhất để tối ưu việc cung cấp dịch vụ một cách thông minh giữa máy chủ mạng và hệ thống cuối Tuy nhiên, có một sự thật là NGN sẽ kế thừa từ Internet nhiều hơn là từ PSTN Một số so sánh giữa PSTN, Internet và NGN được cụ thể theo Bảng 1.1:

Có QoS Có (đối với thoại) Không Có

Tính “thông minh” của

Tách biệt (Distinct) Tích hợp kiểm soát và

Tạo dịch vụ Phức tạp Tùy từng trường

1.2 Mô hình kiến trúc NGN do ITU-T đề nghị

Nếu trước đây trong mô hình Open Systems Interconnection Reference Model (OSI), hay TCP/IP ta có khái niệm “layer” là các tầng, thì trong mô hình mạng NGN sử dụng một thuật ngữ “stratum” để phân chia kiến trúc theo chức năng Một stratum có thể gồm một hoặc nhiều tầng, mỗi tầng lại phân thành 3 mặt phẳng: mặt phẳng dữ liệu (hoặc người dùng) (data/user plane), mặt phẳng kiểm soát (control plane), và mặt phẳng quản lý (management plane)

Hình 1.1 Sự tách biệt giữa dịch vụ và vận chuyển trong NGN (Nguồn: Rec Y.2011)

Theo sự tách biệt giữa dịch vụ và vận chuyển trong mạng NGN như trong Hình 1.1, mạng NGN được chia thành hai stratum: stratum dịch vụ (service stratum)

và stratum vận chuyển (transport stratum) Mỗi stratum gồm các khối chức năng bên trong được chỉ ra trong Hình 1.2 Các khối chức năng cụ thể như sau:

1.2.1 Các khối chức năng tại stratum vận chuyển

Stratum vận chuyển gồm hai khối chức năng là Transport Functions và Transport Control Functions:

e.g., Voice telephony services (audio, fax, etc.)

e.g., Data services (WWW, e-mail, etc.)

e.g., Video services (TV, movie, etc.)

CO-CS, CO-PS and CL-PS layer

1.2.1.1 Transport Functions

Khối chức năng này bao gồm các khối chức năng nhỏ sau:

- Access network functions: Thu thập và tổng hợp các lưu lượng của người dùng truy cập để hướng vào lõi mạng Thực hiện các cơ chể kiểm soát QoS trên lưu lượng của người dùng bao gồm: quản lý bộ đệm, hàng đợi và lập lịch, lọc gói, phân lớp lưu lượng, đánh dấu, chính sách và định hình lưu lượng (shaping - ví dụ như thêm độ trễ vào các gói tin để đảm bảo lượng thông tin vào mạng trong khoảng thời gian cụ thể theo đúng hợp đồng)

- Edge functions: Trộn các lưu lượng đang đến từ nhiều mạng truy cập khác nhau (lưu lượng thông qua dây cáp, thông qua mạng quang, thông qua không dây, …) vào trong mạng lõi Đồng thời hỗ trợ QoS và kiểm soát lưu lượng

- Core transport functions: Hỗ trợ phương thức để phân biệt chất lượng của từng loại lưu lượng vận chuyển vào mạng lõi Đồng thời cung cấp cơ chế QoS trực tiếp tới từng lưu lượng của người dùng bao gồm: quản lý bộ đệm, hàng đợi và lập lịch, lọc gói, phân lớp lưu lượng, đánh dấu, chính sách và định hình lưu lượng

- Gateway functions: Hỗ trợ khả năng liên kết mạng NGN với các kiểu mạng khác đang tồn tại như PSTN/ISDN, mạng Internet, …

- Media handling functions: Hỗ trợ việc xử lí các tài nguyên đa phương tiện cho cung cấp dịch vụ như tạo ra tín hiệu âm thanh, chuyển mã

1.2.1.2 Transport control Functions

Khối chức năng này phân thành các chức năng nhỏ sau:

- Resource and Adminision Control Functions (RACF): hỗ trợ kiểm soát QoS bao gồm đặt chỗ tài nguyên, kiểm soát truy cập và kiểm soát cổng, hỗ trợ dịch địa chỉ mạng và địa chỉ cổng - Network address and port translation (NAPT), quản

lý mã phân biệt dịch vụ - Differentiated Services Field code points (DSCPs) Trong

đó kiểm soát truy cập - Admission control là kiểm tra việc cấp quyền dựa trên hồ sơ của người dùng, hợp đồng dịch vụ - Service Level Agreements (SLAs), các luật

chính sách áp dụng, ưu tiên dịch vụ, tài nguyên sẵn có trong phạm vi mạng truy cập

1.2.2 Các khối chức năng tại stratum dịch vụ

NGN hỗ trợ các dịch vụ dựa vào việc thiết lập phiên truyền ví dụ như điện thoại IP, truyền hình hội nghị… Bên cạnh đó nó còn hỗ trợ các dịch vụ không cần thiết lập phiên truyền như lưu lượng video, quảng bá… Đối với những dịch vụ của các mạng khác như PSTN/ISDN, ATM, Frame Relay, … NGN cũng hỗ trợ Các dịch vụ này được hỗ trợ tại khối chức năng stratum dịch vụ Bên trong stratum dịch

vụ có các khối chức năng nhỏ gồm:

- Service and control functions: Có chức năng kiểm soát các phiên truyền, hoặc các dịch vụ không thiết lập phiên truyền, chức năng đăng kí và xác thực, cấp quyền ở cấp độ dịch vụ

- Service user profile functions: Tập hợp các thông tin người dùng và thông tin điều khiển khác để tạo thành hồ sơ người dùng trong stratum dịch vụ

- Application functions: Được dùng cho đối tác thứ ba về cung cấp dịch vụ,

để đối tác có thể truy cập vào tài nguyên của stratum dịch vụ NGN thông qua máy chủ hoặc gateway trong stratum dịch vụ

Hình 1.2 Kiến trúc chức năng NGN của ITU-T (Nguồn: ITU-T, 2004)

1.2.3 Management functions

Hỗ trợ quản lý cho việc vận hành trong NGN với mục đích cung cấp các dịch

vụ NGN với chất lượng dịch vụ, bảo mật, tin cậy Những chức năng này được phân chia cho mỗi thực thể chức năng - functional entity (FE), và chúng tương tác với các quản lý thành phần của mạng - network element (NE) management, quản lý mạng, các FE quản lý dịch vụ

Có chức năng tính phí và chức năng thanh toán phí (lập hóa đơn tính phí sử dụng tài nguyên), thông qua đó để thu thập thông tin về việc sử dụng tài nguyên

1.2.4 End-user functions

Theo ITU-T, mạng NGN không giới hạn kiểu giao diện của khách hàng có thể tương tác với mạng NGN NGN hỗ trợ tất cả các chủng loại thiết bị có thể có của khách hàng từ đường dây điện thoại đến các mạng phức tạp, mạng di động và

cố định

1.3 Con đường đi tới NGN

Các nhà cung cấp mạng có nhiều lựa chọn để đi tới NGN, trong đó tiêu biểu

có 3 lựa chọn sau:

- Mở rộng mạng Internet hiện tại

- Mở rộng kiến trúc mạng doanh nghiệp - Virtual Private Networks (VPN)

- Xây dựng một kiến trúc mạng hoàn toàn mới

Để có thể chọn lựa được một phương án phù hợp phải dựa vào nhiều tiêu chí trong đó có thể:

- Tối ưu việc thừa kế các thiết bị mạng đang sử dụng

- Tối thiểu việc ảnh hưởng tới các dịch vụ đang sử dụng

- Tối thiểu sự phức tạp và các rủi ro trong tiến trình sát nhập, hội tụ

- Chắc chắn rằng kiến trúc mới phải mềm dẻo, có thể mở rộng và dễ quản lý Dựa trên các tiêu chí trên để xem xét 3 lựa chọn nói trên, Cisco đã đưa ra phân tích như sau:

- Đối với xu hướng mở rộng mạng từ mạng Internet: Xu hướng này ít được lựa chọn bởi vì bên cạnh những ưu điểm như tính phổ dụng lớn (nhiều SP sử dụng kiến trúc IP), có sử dụng kĩ thuật truy cập băng thông rộng cho việc truy cập tốc độ cao, nhưng tồn tại quá nhiều hạn chế như bản chất mạng Internet là best effort, thiếu đi sự hỗ trợ QoS, không thể kiểm soát được sự lớn lên của mạng, thiếu sự kiểm soát khi có thay đổi, bảo mật không có hiệu quả cao, Internet là hệ thống mở

và nhiệm vụ bảo mật là của người dùng cuối nên trong trường hợp xấu nhất là bị tấn công từ chối dịch vụ - Denial of Service (DoS)

- Đối với xu hướng mở rộng từ kiến trúc mạng doanh nghiệp VPN: Mạng này sử dụng kỹ thật IP/MPLS có khả năng đáp ứng được một số yêu cầu của NGN như đảm bảo tính sẵn có, phân lớp dịch vụ đảm bảo QoS, và bảo mật Nhưng đối với yêu cầu về băng thông cho các dịch vụ băng thông rộng như Internet và truyền hình sẽ khó đáp ứng nếu không nâng cấp các thiết bị ở lõi Vì vậy đây là xu hướng

có thể chấp nhận trong trường hợp nhà cung cấp phải chọn các thiết bị mạng đủ để đáp ứng yêu cầu băng thông của NGN, nhưng nó không phải là xu hướng đúng và phù hợp nhất

- Đối với xu hướng xây dựng một kiến trúc mạng hoàn toàn mới: Đây là xu hướng được các nhà cung cấp lựa chọn nhiều nhất Bằng việc sử dụng các router cực mạnh tại lõi kiến trúc NGN, và hội tụ các dịch vụ, sẽ đảm bảo các yêu cầu của các dịch vụ khi băng qua mạng Internet, doanh nghiệp, ATM/FR, và 3G sẽ tốt như các dịch vụ mới như thoại và truyền hình sử dụng giao thức IP - Voice over Internet Protocol (VoIP)

CHƯƠNG 2- KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG

MẠNG THẾ HỆ MỚI

Chìa khóa để xây dựng thành công NGN là QoS Với sự đa dạng của mạng máy tính, các dịch vụ khác nhau đang sử dụng các kiến trúc và chính sách mạng khác nhau ví dụ: mạng PSTN, mạng chuyển mạch gói Các mạng này hỗ trợ các dịch vụ khác nhau và phân biệt theo chiều dọc tức là khi cần liên mạng sẽ rất khó vì mỗi mạng đã có những đặc thù riêng Nhưng với mạng NGN là mạng chuyển mạch gói, có kiến trúc chức năng theo chiều ngang như đã nói trong chương trước, tất cả các dịch vụ sẽ được hỗ trợ bởi một kiến trúc duy nhất Vậy mạng NGN sẽ phải cung cấp các dịch vụ cho thoại như thế nào trong mạng chuyển mạch gói, vì không giống như PSTN, mạng chuyển mạch gói là mạng “best-effort” tức là phân phát các gói tin không quan tâm chất lượng dịch vụ, do đó thiếu sự kiểm soát chất lượng dịch vụ trong mạng

Với nhu cầu ngày càng cao và sự phổ biến của các ứng dụng VoIP, IPTV, VoD, việc triển khai hàng loạt công nghệ truy cập khác nhau dẫn tới nhu cầu cần phải đảm bảo QoS trong mạng phân cấp Mặc dù các tổ chức chuẩn đang nỗ lực trong việc định nghĩa kiến trúc kiểm soát QoS chung, nhưng còn nhiều vấn đề cần cân nhắc trong việc triển khai một kiến trúc kiểm soát QoS chung trong mạng Internet phân cấp và không tập chung Trước tiên, vì trong mạng Internet gồm nhiều hệ thống tự trị - Autonomous System (AS) độc lập, các giải pháp đưa ra phải đảm bảo sự phù hợp của các chính sách QoS khi vận chuyển qua các AS Thứ 2, vì các công nghệ mạng rất đa dạng nên các kết nối E2E được thực hiện trên các tuyến đường với điều kiện băng thông, độ trễ, biến thiên độ trễ, … khác nhau, do đó cần

có giải pháp thống nhất hiệu quả trong bất cứ công nghệ mạng nào Thứ 3, các giải pháp phải có khả năng mở rộng để đối phó trong trường hợp có sự gia tăng số lượng người dùng Thứ 4, cần phải sử dụng các thiết bị mạng hoàn hảo để hạn chế bất cứ sự thay đổi nào đối với các giao thức đang tồn tại và để có thể cung cấp nhiều giao thức báo hiệu ứng dụng khác nhau mà không có bất cứ sự thay đổi lớn

trong kiến trúc mạng Điều cuối cùng rất quan trọng là các giải pháp đưa ra phải có hiệu quả trong khoảng thời gian đủ dài

Trong chương này sẽ giới thiệu tóm tắt các kiến trúc QoS của một số tổ chức chuẩn hóa, và một mô hình kiến trúc QoS cho một kiến trúc mạng cụ thể

2.1 Định nghĩa chất lượng dịch vụ

Theo Cisco, trong lĩnh vực mạng máy tính vẫn chưa có định nghĩa chất lượng dịch vụ (QoS) chung đúng nghĩa Tùy vào nhà cung cấp, tổ chức mà định nghĩa này khác nhau:

- Định nghĩa đầu tiên về QoS được đưa ra bởi IETF (RFC-1946), định nghĩa QoS như sau: Bởi vì các yêu cầu của các dịch vụ thời gian thực lưu thông trên mạng ngày càng lớn, vì vậy cần thiết phải chia sẻ mạng để hỗ trợ các dịch vụ trong mạng Các dịch vụ yêu cầu cả ứng dụng nguồn và kiến trúc mạng phải có khả năng yêu cầu và thực hiện việc phân phát dữ liệu

- Theo chuẩn X.2902 của ITU định nghĩa QoS là tập các yêu cầu chất lượng dựa vào cách thức thực hiện của một hoặc một số đối tượng Các tham số QoS được liệt kê như thông lượng (throughput), độ trễ, và tỉ suất lỗi

- Theo ITU-T Y.1291 cho rằng đối với việc vận chuyển dữ liệu đa phương tiện dựa vào mạng gói thì chất lượng của các dịch vụ thời gian thực phụ thuộc vào hiệu năng của mạng Trong khi đó hiệu năng trong mạng IP được đặc trưng bởi tỉ lệ mất gói, độ trễ, và biến thiên độ trễ (jitter) [20]

- ATM Lexicon định nghĩa QoS là thuật ngữ chỉ tập tham số hiệu năng mạng ATM đặc trưng cho lưu lượng truyền qua một kết nối ảo Những tham số bao gồm tỉ lệ mất tế bào (cell), tỉ suất lỗi cell, tỉ suất chèn cell sai (cell misinsertion rate), biến thiên độ trễ cell, độ trễ truyền cell, và độ trễ truyền cell trung bình

- Trong bài báo “Distributed Multimedia and Quality of Service: A Survey” của IEEE cung cấp một định nghĩa chung của QoS cho các ứng dụng thời gian thực, theo đó QoS là tập đặc tính số lượng và chất lượng của hệ thống truyền thông đa phương tiện phân tán cần thiết để thực hiện được các yêu cầu của một ứng dụng

Tựu chung lại, mục tiêu của framework QoS là để đảm bảo dữ liệu được truyền theo cách xác định từ trước, ít nhất phải đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất thực hiện của mỗi ứng dụng đang được vận chuyển

2.2 Hợp đồng chất lượng dịch vụ - SLA

SLA là một biên bản thỏa thuận hay có thể gọi là hợp đồng thương mại giữa nhà cung cấp mạng và khách hàng về dịch vụ mạng Nội dung SLA có thể được xây dựng từ việc thỏa thuận những thông số sau:

- Loss: Phần trăm gói bị mất (tỉ lệ giữa tổng số gói gửi đi và tổng số gói

nhận được)

- Delay(độ trễ): Thời gian tính từ khi gói tin được bắt đầu truyền cho tới

khi nơi nhận nhận được gói tin Đối với dữ liệu thoại, độ trễ được đo là khoảng thời gian âm thanh truyền từ miệng người nói qua mạng tới tai người nghe

- Jitter: Độ trễ thay đổi giữa các gói tin Ví dụ nếu một gói tin yêu cầu

100ms để truyền từ nguồn tới đích trong mạng, gói tiếp theo lại mất 125ms để thực hiện quãng đường này thì jitter là 25ms

- Throughput: Là băng thông sẵn có đo được giữa hai nút bất kì

- …

Trên cơ sở SLA có thể xẩy ra hai trường hợp đối với lưu lượng của khách hàng: Có thể các lưu lượng truyền qua mạng là nằm trong hợp đồng, tất nhiên các lưu lượng này sẽ được truyền đi qua mạng; Ngược lại cũng có thể xuất hiện một số lưu lượng không nằm trong hợp đồng, những lưu lượng này có thể được xử lý theo hai cách: có thể không cho các lưu lượng này được lưu thông, hoặc thiết lập các lưu lượng này với độ ưu tiên thấp hơn

Một nhà cung cấp dịch vụ có thể đưa ra nhiều lớp dịch vụ với nhiều cấp độ SLA phù hợp với các kiểu ứng dụng khác nhau của khách hàng Một số loại SLA như sau:

- Các lớp lưu lượng và điều kiện tương ứng với mỗi lớp

- Băng thông trên mỗi lớp hoặc toàn bộ theo cam kết

- Bảo đảm chất lượng

- Thủ tục bổ sung

- Đảm bảo các tham số QoS trên mỗi lớp

- Chuẩn cho mỗi lớp và hướng giải quyết khi có sự vượt giới hạn lưu lượng

- Bảng báo cáo, đơn vị đo SLA từ đó đánh giá được là SLA có được thực thi ví dụ báo cáo định kì, …

Ví dụ một SLA cho lưu lượng VoIP như sau: tỉ lệ mất gói là 0%, độ trễ là

125 ms, và jitter là 30 ms

Để có thể biết được liệu dịch vụ đang cung cấp có thỏa mãn hợp đồng hay không thì việc áp dụng các kỹ thuật cho phép giám sát và đo lường SLA rất cần thiết Đo lường SLA chính là việc dùng các công cụ và framework để thu thập các

dữ liệu thô liên quan tới việc thực hiện SLA Giám sát SLA chính là việc dùng các công cụ để thu thập, phân tích, và báo cáo thực tế thực thi SLA của mạng dựa trên các dữ liệu thô do việc đo lường cung cấp Kết quả của việc đo lường và giám sát SLA chính là sự phản ánh tình hình thực thi QoS trong mạng

2.3 Giới thiệu và so sánh các mô hình QoS được tiêu chuẩn hóa bởi một số tổ chức

Vào cuối những năm 1990, tập đoàn khai thác di động Third Generation Partnership Project (3GPP) bắt đầu định nghĩa một framework mới gọi là IP Multimedia Subsystem (IMS) để cung cấp các dịch vụ đa phương tiện trên nền IP IMS dựa trên tiêu chuẩn sẵn có trong Internet Engineering Task Force (IETF) Với

mô hình chính sách lấy từ mô hình do IETF đề nghị, IMS của 3GPP còn bổ sung thêm một chức năng mới cho phép kiểm soát tài nguyên tại mức ứng dụng, gọi là Service-Based Local Policy (SBLP) Năm 2000, Third Generation Partnership Project 2 (3GPP2) đã thông qua IMS Trên cơ sở các nghiên cứu xung quanh IMS,

ủy ban kĩ thuật của tổ chức tiêu chuẩn hóa các chuẩn cho mạng truy cập cố định European Telecommunications Standards Institute (ETSI) là Telecoms and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networks (TISPAN) đã thông qua

kiến trúc lõi IMS là nền tảng cho kiến trúc NGN của họ Đến năm 2003, TISPAN

đã giới thiệu hệ thống kiểm soát truy nhập và kiểm soát tài nguyên - Resource and Admission Control Subsystem (RACS) Mục tiêu của RACS là cung cấp tầng kiểm soát chính sách để quản lý tài nguyên trong mạng vận chuyển Tổ chức ITU-T đã phát triển chức năng kiểm soát truy nhập và tài nguyên RACF cho kiến trúc mạng NGN của ITU-T dựa trên các kết quả của 3GPP và TISPAN RACF được dùng để kiểm soát luồng lưu lượng từ mạng truy cập vào mạng lõi MPLS [18]

Trong phần này tập trung việc giới thiệu cách thức đàm phán các tham số QoS tại stratum dịch vụ sử dụng IMS Tại stratum vận chuyển sẽ giải thích và so sánh các mô hình kiểm soát truy nhập và kiểm soát tài nguyên IMS (3GPP), RACF (ITU-T) và RACS (TISPAN)

2.3.1 Kiến trúc kiểm soát QoS tại stratum dịch vụ

Các tiêu chí QoS được đàm phán trong stratum dịch vụ bằng việc sử dụng một vài FE ví dụ như chức năng kiểm soát phiên cuộc gọi – Call Session Control Functions (CSCFs) và máy chủ quản lý thuê bao thường trú - Home Subscriber Server (HSS) như trong Hình 2.1 Một phiên của người dùng được thiết lập bằng cách sử dụng Giao thức khởi tạo phiên - Session Initiation Protocol (SIP) và Giao thức miêu tả phiên - Session Description Protocol (SDP) Các tiêu chí QoS được chỉ định trong SDP gồm: băng thông được yêu cầu, kiểu của lưu lượng cần truyền, giao thức vận chuyển, kiểu mã hóa, và yêu cầu về độ trễ và tỉ lệ mất gói

Hình 2.1 Kiến trúc kiểm soát NGN với IMS, RACF, RACS (Nguồn: Changho

Yun và Harry Perros, 2010)

Trên Hình 2.1, ta giả sử rằng thiết bị của người dùng 1- User Equipment 1 là UE1, người dùng 2 là UE2, chúng thuộc những nhà cung cấp dịch vụ khác nhau (ví

dụ thuộc miền (domain) khác nhau) Ta cũng giải sử rằng UE1 muốn thiết lập một kết nối đa phương tiện tới UE2 Để làm điều này, trước tiên UE1 thiết lập một phiên với UE2 Khi đó, UE1 gửi một thông điệp SIP (ví dụ INVITE) đến proxy-CSCF1 (P-CSCF1) trong thông điệp chứa các tham số QoS P-CSCF1 kiểm tra tính hợp lệ của UE1, kiểm tra tính bảo mật của thông điệp SIP, rồi chuyển nó tới S-CSCF1 Tại đây, S-CSCF1 dựa vào các chính sách dịch vụ và trạng thái đăng kí của UE1 lưu trong HSS1 để chấp nhận hay không yêu cầu dịch vụ đa phương tiện của UE1 Khi

đã chấp nhận, S-CSCF1 chuyển thông điệp SIP tới Interrogating–CSCF2 CSCF2), đây là thực thể FE có chức năng liên kết với miền của UE2 I-CSCF2 tìm kiếm S-CSCF2 của UE2 để chuyển thông điệp SIP tới đây S-CSCF2 chuyển nó tới P-CSCF2 UE2 nhận SIP của UE1 từ P-CSCF2 Sau đó, UE2 gửi thông điệp SIP (trong đó bao gồm các thông số QoS mà UE2 yêu cầu) để hồi đáp lại UE1 Thông điệp của UE2 cũng đi theo đúng đường như thông điệp SIP của UE1 Việc trao đổi thông điệp SIP kết thúc khi UE1 và UE2 đàm phán được các thông số QoS

(I-Khi P-CSCF1 gửi hồi đáp thông điệp SIP trong đó có chứa các thông số QoS đàm phán lần cuối cùng từ UE2 tới UE1, nó cũng đề nghị điểm quyết định chính sách – Policy Decision Point (PDP) trong stratum vận chuyển, kiểm tra xem các tài nguyên có sẵn có để đáp ứng cho các tham số QoS đã đàm phán không Nếu tài nguyên sẵn có cho UE1, P-CSCF1 hướng thông điệp SIP tới UE1 thông báo rằng nó

có thể đặt chỗ tài nguyên trong stratum vận chuyển Khi UE1 bắt đầu đặt chỗ tài nguyên, nó gửi một thông điệp SIP (ví dụ PRACK) tới UE2 để UE2 cũng bắt đầu đặt chỗ các tài nguyên cho UE2 sau khi gửi lại cho UE1 thông điệp hồi đáp (ví dụ

200 OK)

2.3.2 Kiến trúc kiểm soát QoS cho stratum vận chuyển

Kiểm soát tài nguyên và truy nhập giữa P-CSCF của UE với PDP cũng như việc đặt chỗ tài nguyên của UE trong suốt quá trình thiết lập phiên được thực hiện theo IMS, hoặc RACS, hoặc RACF trong stratum vận chuyển Quá trình này ta có

thể thấy trong Hình 2.1, trong đó bao gồm mạng truy cập – access network (AN) của UE1, AN của UE2, và mạng lõi – core network (CN), và các FE liên quan

RACS, RACF, và IMS đều quản lý QoS dựa trên chính sách, bao gồm quản

lý tắc nghẽn lưu lượng, định hình lưu lượng – traffic shaping và chính sách lưu lượng, kiểm soát băng thông và cân bằng tải Kiểm soát và quyền truy cập tài nguyên được thực hiện bởi hai FE là PDP và điểm thực thi chính sách – policy enforcement point (PEP) PDP và P-CSCF có cùng vị trí Theo chuẩn của 3GPP, PDP chính là thực thể Policy and Charging Rules Function (PCRF) vì có thêm quy định về tính phí Một PEP thường được đặt tại router biên của mạng AN của người dùng Khi PDP nhận một yêu cầu tài nguyên từ P-CSCF sau khi đàm phán lần cuối các tiêu chí QoS, nó sẽ quyết định bao nhiêu tài nguyên sẽ dành cho người dùng tùy vào trạng thái đăng kí của người dùng, tài nguyên hiện có sẵn trong mạng, chính sách của nhà mạng Sau đó, PDP sẽ ánh xạ các tiêu chí QoS đã thỏa thuận được chỉ

ra trong SDP thành các thông số kỹ thuật được sử dụng trong stratum vận chuyển Tiếp theo, các thông số kỹ thuật sẽ được PDP gửi tới PEP của AN với mục đích thực hiện và phân bổ các tài nguyên đã cấp tới người dùng khi người dùng có yêu cầu đặt chỗ tài nguyên Mặc dù RACF, RACS, và IMS đều dựa vào chính sách, nhưng phạm vi QoS, thuật ngữ, nhiệm vụ các FE là khác nhau

2.3.2.1 IMS

Trong IMS, PDP là khối có chức năng quyết định chính sách - policy decition function (PDF), và PEP tùy thuộc vào kiểu của AN (vị trí của UE) Với hệ thống truyền thông di động toàn cầu – Universal Mobile Communication System (UMTS) trong 3GPP IMS release 5, một UE có thể yêu cầu tài nguyên thông qua hai FE: Serving general packet radio service support node (SGSN) và Gateway general packet radio service support node (GGSN) GGSN hoạt động như một PEP tại router biên của AN Theo 3GPP IMS release 6, AN được mở rộng ra cả mạng cục bộ không dây – Wireless Local Area Network (WLAN) và kỹ thuật thuật viễn thông cho phép kết nối Internet băng thông rộng không dây ở khoảng cách lớn - Worldwide inter-operability for microwave access (WiMAX) Trong WLAN và

WiMAX, PEP được biết như là cổng dữ liệu gói – Packet Data Gateway (PDG) Vì vậy một UE có thể yêu cầu tài nguyên từ một PDG, PDG yêu cầu thông tin từ PDF thông qua cổng truy cập không dây - Wireless Access Gateway (WAG) Trong 3GPP IMS release 7, một UE được phục vụ thông qua đường thuê bao số - Digital Subscriber Line (DSL), và nó yêu cầu tài nguyên thông qua DSL access multiplexer (DSLAM) từ một máy chủ truy cập băng rộng – Broadband Access Server (BAS), BAS hoạt động như một PEP Không giống như hai release trước, release 7 đưa ra chuẩn gần giống với RACS, vì vậy BAS lại kết nối với PDP của RACS

2.3.2.2 RACS

Theo TISPAN NGN Release 1, RACS hỗ trợ hai mô hình kiểm soát QoS cho tầng vận chuyển:

- Mô hình QoS tuyệt đối: Trong mô hình này các dịch vụ được thực hiện

với các ràng buộc tuyệt đối chính xác với một số hoặc tất cả các tham số QoS ví dụ như thông lượng, độ trễ, jitter và tỉ lệ mất gói Mô hình này được cấu hình trong mạng truy cập với các kỹ thuật như kiểm soát thông lượng và chính sách lưu lượng, được đặt tại nút biên mạng

- Mô hình QoS tương đối: Trong mô hình này, QoS được cung cấp theo

kiểu phân lớp dựa trên sự khác nhau Mô hình này cũng được cấu hình tại mạng truy cập và gắn tại nút biên mạng

Như vậy với Release 1, TISPAN dường như chỉ chú trọng tới QoS trong mạng truy cập chứ chưa hướng tới QoS trong môi trường của người dùng

PDP trong RACS được biết chính là chức năng quyết định chính sách dịch

vụ - service policy decision function (SPDF), nó cấp phép cho các yêu cầu tài nguyên của người dùng (các yêu cầu nhận từ P-CSCF) dựa trên chính sách mạng SPDF cũng yêu cầu thông tin từ Access-Resource and Admission Control Function (A-RACF), A-RACF có chức năng kiểm soát việc truy cập tài nguyên và đặt chỗ tài nguyên Nếu tài nguyên yêu cầu của UE sẵn có, và UE được cấp quyền, SPDF sẽ thông báo với thiết bị hoạt động như router biên ở đầu vào - Border gateway function (BGF) của IP-CN, để thực hiện cuộc gọi và cấp phát tài nguyên cho UE

Đồng thời, A-RACF thông báo với Resource Control Enforcement Function (RCEF) – thực thể hoạt động tại router biên của AN có chức năng thực thi các kiểm soát tài nguyên, và A-RACF cấp phát vừa đủ tài nguyên cho UE

FE kiểm soát IP-CN sẽ kết nối với các FE IMS khác trong domain của một trong các UE giống như S-CSCF Vì vậy, việc yêu cầu tài nguyên có thể do một trong số các P-CSCF trong các AN hoặc một trong số FE trong IMS trong home domain RACF giới thiệu một FE khác Transport Resource Control Functional entity (TRC-FE) để giám sát sự thay đổi trong topology mạng, lượng tài nguyên sẵn có và cung cấp cho PD-FE kết nối với nó các thông tin nhằm cải thiện hiệu quả tài nguyên mạng

Tùy theo khả năng của UE (cũng có thể gọi là CPE (Customer Premises Equipment), RACF hỗ trợ hai mô hình kiểm soát và truy nhập tài nguyên là push-mode và pull-mode

ITU-T chia các CPE/UE thành 3 kiểu khác nhau:

- Kiểu 1: CPE không có khả năng đàm phán QoS tại cả hai cấp độ dịch vụ

và vận chuyển

- Kiểu 2: CPE có khả năng đàm phán QoS tại stratum dịch vụ

- Kiểu 3: CPE có khả năng đàm phán QoS tại stratum vận chuyển

Để phù hợp với các kiểu CPE nói trên và khả năng QoS của tầng vận chuyển, ITU-T đề xuất hai chế độ kiểm soát QoS như sau:

- Push mode (chế độ đẩy): Service Control Function (SCF) sẽ xác định các

yêu cầu QoS nếu CPE thuộc kiểu 1, hoặc trích rút các yêu cầu QoS từ thông điệp báo hiệu đối với các CPE khác Sau đó SCF gửi yêu cầu xin cấp phép và đặt chỗ

QoS tới RACF RACF sẽ cấp phép và ra quyết định kiểm soát tài nguyên dựa vào các quy định chính sách đồng thời tự động hướng dẫn khối vận chuyển (transport functions (gồm Transport Resource Enforcement Functional Entity (TRE-FE) và PE-FE)) thực hiện chính sách như đã quyết định Chế độ này được sử dụng cho CPE kiểu 1 và 2

- Pull mode (chế độ kéo): Việc đặt chỗ QoS sẽ diễn ra theo nhiều pha Pha

1, SCF sẽ trích rút thông tin yêu cầu QoS từ các thông điệp báo hiệu tại stratum dịch

vụ và gửi một yêu cầu xin cấp phép tới RACF RACF sẽ đưa ra quyết định dựa vào quy định chính sách của mạng, và nếu yêu cầu được chấp nhận, RACF sẽ gửi quyết định cấp phép tới CPE Trong pha tiếp theo, CPE sẽ gửi yêu cầu QoS tới Transport Functions, Transport Functions sẽ gửi yêu cầu này tới RACF, RACF sẽ xem xét để cấp phép lại và đưa ra quyết định cuối cùng

Khi có một sự kiện nào đó xẩy ra ví dụ khởi tạo phiên truyền, cần có các thủ tục tương ứng để xử lý Các thủ tục kiểm soát tài nguyên được chia thành hai nhóm: các thủ tục kiểm soát tài nguyên do SCF yêu cầu (SCF-required QoS control procedures) và các thủ tục kiểm soát tài nguyên do CPE yêu cầu (CPE-required QoS control procedures) Trong mỗi nhóm này ta sẽ xem xét một thủ tục đặc trưng: thủ tục đặt chỗ tài nguyên QoS do SCF yêu cầu (SCF-required QoS reservation procedure) và thủ tục đặt chỗ tài nguyên QoS do CPE yêu cầu (CPE-required QoS reservation procedure) Chi tiết về hai thủ tục này như sau:

- Thủ tục đặt chỗ tài nguyên QoS do SCF yêu cầu

Thủ tục này xuất phát từ yêu cầu khởi tạo tài nguyên của SCF gửi tới RACF

để yêu xin cấp phép và đặt chỗ tài nguyên Trong trường hợp RACF chấp nhận cấp phép và cho đặt chỗ, nó sẽ đẩy các quyết định kiểm soát truy cập tới các nút mạng Chi tiết thủ tục được thể hiện trong Hình 2.2 như sau:

Hình 2.2 Thủ tục đặt chỗ tài nguyên QoS do SCF yêu cầu (Nguồn: ITU-T, 2006)

1) Một yêu cầu khởi tạo tài nguyên (Resource initiation request (RIR (reservation)) được kích hoạt bởi một sự kiện thiết lập dịch vụ hoặc một hành động của SCF Ví dụ của sự kiện như việc SCF nhận hoặc tạo một thông điệp báo hiệu dịch vụ

2) SCF xác định hoặc thu thập các thông số QoS yêu cầu (như băng thông, lớp dịch vụ) cho các luồng media của dịch vụ yêu cầu thiết lập Sau đó nó gửi RIR (reservation) với miêu tả luồng media và các giá trị tham số QoS của luồng tới PD-

FE qua tham chiếu Rs để xin cấp phát và đặt chỗ tài nguyên

3) Khi nhận được RIR (reservation), PD-FE sẽ cấp phép tài nguyên QoS yêu cầu cho luồng media dựa vào việc kiểm tra các thông tin miêu tả luồng media (ví dụ hướng đi, phiên bản giao thức, địa chỉ IP, các cổng, …) và các tài nguyên QoS yêu cầu có phù hợp với các quy định chính sách lưu tại PD-FE và thông tin đăng kí của thuê bao tại tầng vận chuyển (transport subscription information) lưu trong NACF

4) PD-FE xác định các mạng truy cập và mạng lõi dùng cho luồng media Nếu có TRC-FE trong các mạng đã triệu gọi, PD-FE sẽ gửi một RIR (availability check) đến một trong các TRC-FE đã đăng kí với PD-FE để kiểm tra tính khả dụng

của tài nguyên trong các mạng đã triệu gọi Nếu có nhiều TRC-FE trong các mạng

đã triệu gọi, chúng sẽ kết hợp với nhau để xác định xem tài nguyên QoS có khả dụng trong phạm vi mạng triệu gọi TRC-FE nhận RIR từ PD-FE sẽ có trách nhiệm gửi xác nhận lại cho PD-FE bằng thông điệp Resource initiation response (RIP)

5) Dựa trên kết quả tại bước 3, bước 4, PD-FE sẽ đưa ra quyết định cuối cùng cho việc kiểm soát truy cập (final admission decisions) đối với luồng media đang yêu cầu Trong trường hợp yêu cầu không được chấp nhận, nó sẽ gửi một RIR

từ chối tới SCF

6) PD-FE gửi một RIR để cài đặt quyết định kiểm soát truy cập vào PE-FE RIR này có thể yêu cầu thực hiện quyết định ngay lập tức (ví dụ gồm RIR (reservation + commitment)), hoặc có thể chia thành hai giai đoạn: đầu tiên gửi RIR (reservation) để yêu cầu cài đặt quyết định kiểm soát truy cập, và tiếp theo gửi RIR (commitment) để mở cổng và cấp phát tài nguyên

7) PE-FE cài đặt (cũng có thể thực thi) quyết định kiểm soát truy cập do

PD-FE gửi và gửi RIP trở lại PD-PD-FE

8) PD-FE gửi RIP trở lại SCF

- Thủ tục đặt chỗ tài nguyên QoS do CPE yêu cầu

Đây là thủ tục được triệu gọi khi có thông điệp báo hiệu QoS theo chế độ path-coupled (thông điệp báo hiệu được định tuyến theo đường đi của dữ liệu) dành riêng xuất phát từ CPE để yêu cầu QoS cho luồng được chỉ định Thủ tục được biểu diễn trong Hình 2.3, chi tiết như sau:

Hình 2.3 Thủ tục đặt chỗ tài nguyên theo yêu cầu xuất phát từ CPE (Nguồn:

ITU-T, 2006)

1) Khi có yêu cầu được chỉ định thông qua việc báo hiệu QoS từ CPE,

PE-FE sẽ tạo ra một thông điệp Resource Decision Request (RDR) để đặt chỗ tài nguyên QoS đã yêu cầu cho luồng chỉ định Các nút khác trong mạng truy cập hoặc lõi mạng có thể chuyển thông điệp báo hiệu QoS một cách trong suốt hoặc thực hiện việc đặt chỗ QoS dọc theo đường đi

2) Dựa vào yêu cầu QoS từ CPE, PE-FE sẽ gửi RDR gồm miêu tả về luồng

và các tham số QoS của luồng tới PE-FE theo điểm Rw để kéo quyết định kiểm soát truy cập từ PD-FE PE-FE sẽ lọc các thông điệp QoS trùng lặp hoặc chứa mã độc, đặc biệt nếu các báo hiệu QoS được làm mới định kì

3) Khi nhận được RDR (nếu trước đó SCF đã yêu cầu cấp phép QoS có liên quan tới luồng), PD-FE sẽ gửi một Resource action request (RAR) đến SCF để lấy lại các thông tin dịch vụ của luồng

4) PD-FE kiểm tra các miêu tả luồng, các tài nguyên QoS yêu cầu và thông tin dịch vụ có phù hợp với quy định chính sách mạng trong PD-FE và thông tin thuê

bao đăng kí tại tầng vận chuyển (transport subscription information) lưu trong NACF

5) PD-FE xác định các mạng truy cập và mạng lõi dùng cho luồng media Nếu có TRC-FE trong các mạng đã triệu gọi, PD-FE sẽ gửi một RIR (availability check) đến một trong các TRC-FE đã đăng kí với PD-FE để kiểm tra tính khả dụng của tài nguyên trong các mạng đã triệu gọi Nếu có nhiều TRC-FE trong các mạng

đã triệu gọi, chúng sẽ kết hợp với nhau để xác định xem tài nguyên QoS có khả dụng trong phạm vi mạng triệu gọi TRC-FE nhận RIR từ PD-FE sẽ có trách nhiệm gửi xác nhận lại cho PD-FE bằng thông điệp Resource initiation response (RIP)

6) PD-FE tạo quyết định truy cập cuối cùng dựa trên kết quả bước 4, bước 5 7) Nếu RDR từ PE-FE được cho phép, PD-FE sẽ gửi Resource decision response (RDP (commitment)) để thiết lập quyết định kiểm soát trong PE-FE

2.3.3 So sánh giữa RACS, IMS, và RACF

RACS, IMS, RACF sẽ được so sánh theo tiêu chí phạm vi bảo đảm QoS và số thông điệp báo hiệu phải dùng, được thể hiện trong Bảng 2.1 Theo tiêu chí phạm vi bảo đảm QoS, IMS hỗ trợ QoS trong phạm vi hẹp nhất so với hai kiến trúc còn lại E2E QoS có thể rất khó hỗ trợ trong IMS vì xung đột lưu lượng có thể xẩy ra tại ER của IP-CN Nếu UE có thể hỗ trợ RSVP thì IMS có thể hỗ trợ E2E QoS RACS có thể hỗ trợ E2E QoS bằng việc hỗ trợ QoS cho tất cả các ER của AN và IP-CN Tuy nhiên, RACS chỉ có thể kiểm soát QoS trong một domain, chứ không thể đảm bảo trong trường hợp nhiều domain So với RACS, RACF có thể hỗ trợ E2E QoS trong trường hợp nhiều domain vì nó có thể hỗ trợ nhiều PD-FE và PE-FE trong IP-CN RACF có thể kiểm soát QoS trong mạng cố định và di động trong khi đó RACS chỉ

có thể hoạt động trong mạng cố định

Số lượng thông điệp báo hiệu phải sử dụng của mỗi kiến trúc lại theo chiều hướng ngược lại so với tiêu chí phạm vi bảo đảm QoS Khi một dịch vụ đa phương tiện được thiết lập hoặc thay đổi tùy vào sự thay đổi bên phía khách hàng, hoặc do

sự di động của khách hàng, RACF sẽ cần sử dụng nhiều thông điệp để kiểm soát QoS hơn RACS và IMS vì có nhiều FE được dùng Hơn nữa, nếu một kiểm soát

QoS không thành công do một trong số các PD-FE không có đủ tài nguyên theo yêu cầu đã được đàm phán, việc đàm phán sẽ được lặp lại trong stratum dịch vụ, và do

đó việc báo hiệu cũng sẽ lặp lại trong stratum vận chuyển Điều này nghiêm trọng hơn trong trường hợp ứng dụng đa phương tiện như hội nghị trực tuyến giữa nhiều khách hàng khác nhau

Bảng 2.1 So sánh giữa RACS, IMS, và RACF

khác

Phạm vi/E2E QoS

Số thông điệp báo hiệu

UE có thể

hỗ trợ RSVP

A-RACF E2E Qos

trong phạm

vi một domain

hoạt động của RACF trong các mạng thực tế như thế nào Tính năng mở rộng của RACF khó để thực hiện vì tính phức tạp của nó, tuy nhiên đây là vấn đề có thể được giải quyết trong tương lai gần

Mỗi mô hình chuẩn của các tổ chức đều có ưu nhược điểm riêng, tùy vào yêu cầu của mạng mà có thể dùng một mô hình riêng rẽ hoặc kết hợp các mô hình này

2.4 Mô hình E2E QoS cho một kiến trúc mạng NGN cụ thể

Theo [25], một kiến trúc mạng NGN được đề nghị Trên cơ sở kiến trúc đưa

ra tác giả đã giới thiệu cách thực hiện kết nối đảm bảo E2E QoS băng qua các mạng không dây và có dây phân cấp gồm WLAN, WiMAX, Metro Ethernet, mạng WAN dùng MPLS và WAN dùng DiffServ Kiến trúc E2E QoS này sẽ tuân theo chuẩn kiến trúc QoS cho NGN của ITU-T, báo hiệu cho thiết lập kết nối sử dụng báo hiệu IMS của 3GPP

2.4.1 Kiến trúc mạng

Trong Hình 2.7 chỉ ra kiến trúc mạng tham chiếu (reference architecture) được dùng để thực hiện kết nối có đảm bảo QoS Trong kiến trúc, WiMAX là công nghệ chặng cuối (last mile) với WLAN đặt tại phía người dùng WLAN Access Point (AP) đóng vai trò là WiMAX Base Station (BS) và AP Nhiều WiMAX BS có thể được kết nối với Access Service Network Gateway (ASN-GW) thông qua mạng truy cập Metro Ethernet Tại Metro Ethernet các lưu lượng được tổng hợp nhờ sử dụng Provider Backbone Bridging Traffic Engineered (PBB-TE) ASN-GW được xem như router biên (giống như Broadband Remote Access Server) có khả năng kết nối với các mạng truy cập khác theo kiểu ngang hàng - peer2peer hoặc kết nối với các nhà cung cấp dịch vụ để yêu cầu các dịch vụ đa dạng từ máy chủ ứng dụng Đối với WAN sẽ xem xét cả hai trường hợp: WAN sử dụng MPLS và WAN sử dụng DiffServ

Việc ánh xạ các thành phần trong kiến trúc của ITU-T với mạng tham chiếu đang được nghiên cứu Vì ASN-GW quản lý mạng truy cập WiMAX và được đặt

tại biên mạng, nên các tác giả đề xuất việc đặt RACF bên trong ASN-GW Tương

tự mỗi domain trong mạng nên có một nút có nhúng RACF bên trong

Hình 2.4 Kiến trúc tham chiếu (Nguồn: Pavithra Ramaswamy, 2009) 2.4.2 Các mô hình QoS sử dụng trong kiến trúc mạng tham chiếu

Bên cạnh việc sử dụng mô hình RACF của NGN, IMS của 3GPP, và giao thức NSIS, để thiết lập kết nối E2E QoS trong mạng tham chiếu cần dùng tới một số

mô hình QoS của các thành phần mạng liên quan, cụ thể như sau:

2.4.2.1 Các mô hình QoS trong mạng truy cập

a) Kiến trúc QoS trong mạng WLAN

Chuẩn 802.11 a/b/g đều triển khai Distributed Coordination Function (DCF) hoặc Point Coordination Function (PCF) để giành quyền truy cập đường truyền giữa các trạm trong mạng Phương thức truy cập của 802.11 MAC là một DCF được biết như giao thức đa truy cập có cảm nhận sóng mang kết hợp với chống tắc nghẽn mạng - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) Khi một trạm muốn truyền, nó cảm nhận môi trường truyền xem có trạm khác đang