NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾNNGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾNNGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾNNGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾNNGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾNNGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾNNGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾNNGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾNNGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN

i

LỜI CẢM ƠN

Luận án tiến sĩ này được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Chiến Trinh và TS Bùi Thị Minh Tú Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo hướng dẫn về những định hướng nghiên cứu, hướng dẫn khoa học và phương pháp luận nghiên cứu khoa học, cùng với đó là những kiến thức, kinh nghiệm trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án Nghiên cứu sinh cũng xin cám ơn các thầy giáo PGS TS Bùi Trung Hiếu, PGS TS Nguyễn Tiến Ban, PSG TS Nguyễn Văn Tuấn và các thầy giáo trong Học viện đã giúp đỡ, động viên, đóng góp những ý kiến quý báu để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Hội đồng Tiến sĩ của Học viện và Khoa Quốc tế và Đào tạo Sau đại học đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viễn thông Đà Nẵng đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh tham gia khóa đào tạo và quan tâm, động viên, tạo điều kiện trong công việc để nghiên cứu sinh có thể hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, bạn bè thân hữu

đã khích lệ, động viên trong suốt quá trình thực hiện luận án

Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới những người thân trong gia đình và những bạn bè thân thiết đã luôn luôn khích lệ, động viên, cảm thông, chia sẻ

và hết lòng tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả

Trần Minh Anh

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án “Nghiên cứu các giải pháp đảm bảo chất lượng mạng sử dụng kỹ thuật định tuyến” là công trình nghiên cứu của tôi, ngoài những kiến thức tham khảo từ các tài liệu nghiên cứu liên quan đã được chỉ rõ trong danh mục tài liệu tham khảo ở phần sau của luận án

Những đóng góp của luận án là kết quả nghiên cứu của tác giả, một phần đã được công bố trên các tạp chí, kỷ yếu của các hội nghị khoa học chuyên ngành, phần còn lại chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả

Trần Minh Anh

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC KÝ HIỆU x

DANH MỤC HÌNH VẼ xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU xvii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG VIỄN THÔNG 7

1.1 Tổng quan yêu cầu về QoS trên mạng viễn thông 7

1.1.1 Giới thiệu: 7

1.1.2 Các thông số QoS: 8

1.1.3 Xây dựng các ràng buộc liên quan đến đảm bảo chất lượng dịch vụ 11

1.1.4 Vấn đề đảm bảo QoS khi mạng viễn thông phát triển mạnh mẽ trong giai đoạn hiện nay 15

1.1.4.1 Tổng quan 15

1.1.4.2 Định hướng cấu trúc mạng và yêu cầu đảm bảo QoS trên mạng viễn thông trong thời gian tới 16

1.2 Kỹ thuật định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ 18

1.2.1 Tổng quan: 18

1.2.2 Định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin toàn cục 21

1.2.3 Định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin nội bộ 29

1.3 Các vấn đề cần nghiên cứu về định tuyến QoS dùng TTNB 38

1.4 Kết luận chương 39

CHƯƠNG 2CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG 41

2.1 Mở đầu 41

2.2 Phần mềm ứng dụng để mô phỏng mạng 42

2.3 Các tiêu chí đánh giá 44

2.3.1 Xác suất nghẽn 41

iv

2.3.2 Độ trễ đầu cuối – đầu cuối 425

2.3.3 Cân bằng tải 445

2.4 Xây dựng các hệ số đánh giá cân bằng tải mạng 46

2.4.1 Đề xuất hệ số DBM: 46

2.4.2 Khả năng ứng dụng hệ số DBM trong việc đánh giá cân bằng tải và chất lượng mạng 49

2.5 Việc ứng dụng hệ số DBM để đánh giá hiệu năng giải thuật định tuyến 49

2.5.1 Giới thiệu 49

2.5.2 Đánh giá hiệu năng định tuyến qua giá trị hệ số DBM 50

2.6 Kết luận chương 51

CHƯƠNG 3ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA RÀNG BUỘC SỬ DỤNG THÔNG TIN NỘI BỘ 52

3.1 Mở đầu 52

3.2 Các nghiên cứu liên quan 53

3.3 Đề xuất giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ sử dụng băng thông và độ trễ làm tiêu chuẩn chọn đường 54

3.3.1 Giới thiệu 54

3.3.2 Mô tả giải thuật RBDA 54

3.3.3 Mô phỏng đánh giá hiệu năng giải thuật định tuyến RBDA 57

3.3.4 Mô tả giải thuật BQRA 63

3.3.5 Mô phỏng đánh giá hiệu năng giải thuật định tuyến BQRA 64

3.4 Đề xuất giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ sử dụng nhiều thông số QoS làm tiêu chuẩn chọn đường 69

3.4.1 Giới thiệu: 69

3.4.2 Mô tả giải thuật BDER: 69

3.4.3 Mô phỏng đánh giá hiệu năng giải thuật định tuyến BDER 72

3.5 Độ phức tạp tính toán của các giải thuật 78

3.6 Kết luận chương 79

CHƯƠNG 4ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG CHO GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN DÙNG THÔNG TIN NỘI BỘ 80

4.1 Mở đầu 80

4.2 Đề xuất tập tuyến truyền linh động cho giải thuật định tuyến dùng TTNB 81 4.2.1 Giới thiệu 81

v

4.2.2 Một số khái niệm liên quan đến tập tuyến truyền 81

4.2.3 Ảnh hưởng của kiểu tập tuyến truyền đến hoạt động của giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ 83

4.2.4 Mô phỏng đánh giá hiệu quả của tập tuyến truyền linh động đối với giải thuật định tuyến dùng TTNB 84

4.2.5 Đánh giá hiệu năng định tuyến QoS sử dụng tập tuyến truyền linh động

90

4.3 Đề xuất ứng dụng kiểu định tuyến phân tán trong giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ 91

4.3.1 Giới thiệu 91

4.3.2 Một số định lý liên quan đến đề xuất ứng dụng kiểu định tuyến phân tán 91

4.3.3 Mô tả giải thuật đề xuất: 95

4.3.4 Mô phỏng đánh giá hiệu năng định tuyến 98

4.4 Đề xuất cơ chế điều khiển linh hoạt trong thuật toán định tuyến dùng thông tin nội bộ ứng dụng kiểu định tuyến phân tán 101

4.4.1 Giới thiệu chung: 101

4.4.2 Một số định lý liên quan đến việc ứng dụng cơ chế điều khiển linh hoạt

101

4.4.3 Mô tả giải thuật đề xuất: 102

4.4.4 Mô phỏng đánh giá hiệu năng định tuyến 106

4.5 Độ phức tạp tính toán của các giải thuật 112

4.6 Kết luận chương 112

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO 114

1 Kết luận chung 114

2 Hướng phát triển tiếp theo 115

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

PHỤ LỤC 130

vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3G Third Generation mobile

telecommunications Mạng di động thế hệ thứ 3

4G Fourth Generation mobile

telecommunications Mạng di động thế hệ thứ 4 ATM Asynchronous Transfer

Mode

Phương thức truyền dị bộ

BBM Balanced Bandwidth Metric Hệ số đánh giá cân bằng băng

thông mạng BBP Bandwidth Blocking

Ford Bellman-Ford algorithm

Tên của thuật toán tìm đường ngắn nhất mô tả tại [25]

BQRA Bandwidth-Delay Constraint

QoS Routing Algorithm (Tên của giải thuật đề xuất) BRB Best Reserved Bandwidth Dự trữ băng thông tốt nhất

CAGR Compound Annual Growth

CBR Localized Credit Based

vii

exabyte Unit of Exabyte Đơn vị tính lưu lượng, bằng 1 triệu

Gigabyte

FBP Flow Blocking Probability Xác suất nghẽn luồng

FMC Fixed Mobile Convergence Hệ thống hội tụ di động – cố định Full HD Full High Definition Độ phân giải cao đầy đủ

HLABH Highest Link Average

Bandwidth History

Giải thuật định tuyến dựa trên lịch

sử băng thông trung bình các liên kết cao nhất

Hop, minhop Hop, minimum number of

IP Internet Protocol Giao thức Internet

IPTV Internet Protocol TeleVision Truyền hình sử dụng giao thức IP ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet

ITU_T

ITU Telecommunication Standardization Sector Liên minh viễn thông quốc tế - lĩnh

vực tiêu chuẩn hóa viễn thông

Jain’s Index Jain’s Index Chỉ số Jain, để tính độ cân bằng tải

trên mạng mô tả tại [72]

LBCR Localized

Bandwidth-Constraint Routing (Tên của giải thuật đề xuất) LBHR

Localized constraint Hop-by-hop Routing Algorithm

Bandwidth-(Tên của giải thuật đề xuất)

LDCR Localized

Delay-Constrained QoS Routing

Giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin nội bộ lấy độ trễ làm ràng buộc

LDR Localized Distributed

LDRA

Localized Distributed bandwidth-constraint Routing Algorithm

(Tên của giải thuật đề xuất)

viii

MANET Mobile Ad Hoc Network

Mạng các thiết bị di động kết nối không dây liên tục tự cấu hình, và không có hạ tầng mạng

MHA Minimum Hop Algorithm Giải thuật định tuyến lấy số bước

nhảy bé nhất MIRA Minimum Interference

Routing Algorithm

Giải thuật định tuyến dùng ảnh hưởng xuyên nhiễu bé nhất

MPLS Multiprotocol Label

NS-2, NS-3 Network Simulator version

NwGN New Generation Network Mạng thế hệ mới

OMNET++ Objective Modular Network

Testbed in C++

Chương trình mô phỏng OMNET++

OPNET OPNET Simulation Program Chương trình mô phỏng OPNET OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến chọn đường

ngắn nhất PSR Proportional Sticky Routing Giải thuật định tuyến phân chia tỷ

lệ chặt QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ

QoSR Quality of Service Routing Định tuyến đảm bảo chất lượng

dịch vụ RBDA

QoS Routing using Bandwidth-Delay based Algorithm

(Tên của giải thuật đề xuất)

SDP Shortest-distance path (Giải thuật) Tuyến truyền ngắn nhất SLA Service Level Agreement Thỏa thuận cung cấp dịch vụ

SONET Synchronous Optical

SWP Shortest Widest Path Giải thuật định tuyến chọn đường

rộng nhất ngắn nhất TTNB (local information) Thông tin nội bộ

TTTC (glabal information) Thông tin toàn cục

uniform Uniform distribution law Luật phân phối uniform

Video

streaming Video streaming Dòng thông tin video

VoD Video on Demand Dịch vụ Video theo yêu cầu VoIP Voice over IP Thoại sử dụng giao thức Internet

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

WSP Widest Shortest Path Giải thuật định tuyến chọn đường

ngắn nhất rộng nhất

http) Zettabyte

Unit of Zettabyte Đơn vị tính lưu lượng, bằng 1 tỷ

Gigabyte

BBP Xác suất nghẽn băng thông

Bi Tổng số lần truyền hỏng/từ chối truyền luồng tin trên liên kết

giữa nút nguồn với nút liền kề

|B| Tổng số luồng bị nghẽn

BFi Tổng số lần truyền hỏng/từ chối truyền luồng tin trên tuyến

truyền giữa nút nguồn với nút đích (trong giải thuật BQRA)

bm Giá trị trung bình băng thông khả dụng theo số kết nối

Bm Trung bình băng thông toàn mạng

Bt Băng thông yêu cầu của yêu cầu định tuyến

bw Giá trị băng thông trung bình yêu cầu bởi một luồng dữ liệu Bw(a,b) Băng thông còn lại của liên kết (a,b)

Bw(P) Băng thông còn lại của cả tuyến truyền P

Bwab Băng thông giữa hai nút liền kề a và b

C Dung lượng trên một hướng liên kết

Ci, Last Ci Chỉ số tuyến truyền trong giải thuật RBDA

Cr Tham số thiết lập lại tập tuyến truyền

d Độ sâu kết nối

D Giá trị trễ các các hướng trên liên kết trên mạng

DBM, BBM Các hệ số đánh giá cân bằng băng thông mạng

dnew, dold Độ sâu kết nối mới, cũ

f, f(u) Ký hiệu luồng tin đến nút, hàm ràng buộc trọng số của luồng f FBP Xác suất nghẽn luồng

fl_idx Chỉ số luồng tin dùng trong giải thuật LDRA

xi

g(x) Hàm ràng buộc trọng số

G(N,L) Mạng G có N nút và L liên kết

h Độ dài trung bình của một tuyến truyền trên mạng

i, j, (i,j) Các nút mạng i, j; liên kết giữa hai nút mạng i và j

k Số tuyến truyền ngắn nhất giữa hai nút X, Z

K Tập các nút liền kề

|K| Số nút liền kề của tập K

Ki Nút liền kề

L Tập hợp số liên kết trên mạng

m Giá trị trung bình băng thông khả dụng theo số nút

M Số mô tả cửa sổ dịch trong thuật toán CBR

Md Ma trận kết nối M với độ sâu kết nối d

Mijd Phần tử (i,j) thuộc ma trận Md

MAX_CREDITS Hệ thống cấp điểm của giải thuật CBR

𝑚𝑖𝑛𝐵𝑣𝑑 Giá trị băng thông bé nhất của tuyến truyền v trong tập Vd minhopij Số bước nhảy ngắn nhất giữa hai nút mạng i và j

n Số bước nhảy tối đa trong tập tuyến truyền từ nút X đến nút Z

N Số nút trên mạng, tập hợp số nút trên mạng

Ndi Yêu cầu băng thông tại các nút mạng trên mạng G(N,L)

Ni Tổng số luồng tin truyền trên tuyến truyền giữa cặp nút nguồn

và đích trong giải thuật RBDA

ni Nút trung gian (từ 1 đến s) trên tuyến truyền P

P Tuyến truyền từ nút đầu đến nút đích

P.Credits Biến chỉ điểm của tuyến truyền (của giải thuật CBR)

P.Quality Biến chứa các giá trị băng thông, độ trễ trong các giải thuật

đề xuất PER Tỷ lệ mất gói trong giải thuật BDER

xii

Pmin, Palt Tuyến truyền có giá trị điểm cao nhất của tập Rmin và tập Ralt

trong giải thuật CBR pt_idx Chỉ số điều khiển truyền tin trong giải thuật LDRA

Pt_idx Chỉ số tuyến truyền trong giải thuật BQRA

q Số tuyến truyền ngắn nhất giữa hai nút Y và Z

Qj Tổng giá trị băng thông khả dụng tại mỗi nút

R Tập tuyến truyền

|R| Số tuyến truyền thuộc tập R

Ralt Tập các tuyến truyền thay thế

Reli Tập các tuyến truyền khả dụng trong giải thuật PSR

resBwij Băng thông còn lại trên liên kết ij

Rmin Tập các tuyến truyền ngắn nhất

Rmin+1 Tập tuyến truyền trong giải thuật HLABH

RQ Yêu cầu QoS từ luồng tin yêu cầu

𝑅𝑖𝑗𝑑 Tập tuyến truyền (có độ sâu kết nối d) giữa hai nút i và j

s Số liên kết trên một tuyến truyền P

S Thông số cài đặt trước cho giải thuật BQRA, RBDA

SLA Yêu cầu QoS từ luồng tin yêu cầu

T Tổng luồng tin yêu cầu từ nút nguồn đến nút đích

|T| Tổng số luồng phát sinh

Ti Tổng số luồng sử dụng tuyến truyền giữa nút nguồn với nút đích

Tx Lượng chịu tải tại nút X

u, u(a,b), u(P) Giá trị thông số QoS của liên kết (a,b), của cả tuyến truyền P u1,u2 un Ký hiệu các giá trị ràng buộc (thông số QoS) tại nút u

v1,v2 vn Ký hiệu các giá trị ràng buộc (thông số QoS) tại nút v

v Số tuyến truyền trong tập tuyến truyền giữa hai nút mạng

Vd Tập các tuyến truyền có độ sâu kết nối d

xiii

Vkd Tuyến truyền k thuộc tập Vd

X, Y, Z Ký hiệu nút mạng

xi Tải băng thông trên các liên kết trên mạng

α Chỉ số thay đổi độ sâu kết nối

αj, γj các hệ số ưu tiên cho nút thứ j

αx, γx các hệ số ưu tiên cho nút x

βi Chỉ số so sánh chọn đường trong giải thuật BQRA

Ф Tham số hệ thống của giải thuật CBR

λ Giá trị tốc độ luồng dữ liệu đến nút theo luật Poisson

μ Thời gian duy trì của mỗi dữ liệu theo quy luật hàm mũ

ρ Tải thông tin trung bình toàn mạng

Hình 1.7 Sơ đồ mô tả việc định tuyến trên mạng viễn thông 18

Hình 1.9 So sánh định tuyến dùng TTTC và định tuyến dùng TTNB – Nguồn

Hình 3.3 Các mạng mô phỏng có 32 nút (ISP1) và 18 nút (ISP2) 59

Hình 3.6 Giá trị trễ đầu cuối trung bình khi thay đổi tải 61

Hình 3.8 Giá trị trễ đầu cuối trung bình khi tải cao và thấp trên ISP2 62 Hình 3.9 Các mạng mô phỏng có 18 nút (ISP2) và 9 nút (ISP3) 65 Hình 3.10 Các giá trị của DBM khi  thay đổi từ 0,2 đến 0,5 66

Hình 3.12 Các giá trị của DBM trên mạng mô phỏng ISP3 68 Hình 3.13 Giá trị trễ đầu cuối trung bình khi tải =0.2 and 0.5 69

xv

Hình 3.16 Các mạng mô phỏng có 32 nút (ISP1) và 60 nút (ISP4) 73

Hình 3.18 Giá trị trễ đầu cuối trung bình khi tải  = 0,8 75

Hình 3.20 Giá trị trễ đầu cuối trung bình khi tải  = 0,8 77

Hình 4.4 Giá trị số bước nhảy trung bình khi  = 0,4 88 Hình 4.5 Giá trị số bước nhảy trung bình khi  = 0,8 89 Hình 4.6 Giá trị của độ sâu kết nối d của các tập tuyến truyền từ nút 0 90 Hình 4.7 So sánh hai kiểu định tuyến nguồn và phân tán – Nguồn [65] 92

Hình 4.21 So sánh các chỉ số Jain về cân bằng băng thông mạng 110

Luận án đủ ở file: Luận án full