GiảI pháp định tuyến qos nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ truyền dữ liệu thời gian thực trên mạng viễn thông hội tụ fmc

AN Access Network Mạng truy nhập ASP Application Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng ATM Asynchronous Transfer Mode Networking Mạng truyền dữ liệu không đồng bộ BER Bit error

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

NGUYỄN TRUNG KIÊN

GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN QoS NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN DỮ LIỆU THỜI GIAN THỰC TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG HỘI TỤ FMC (FIX-MOBILE-CONVERGENCE NETWORK)

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 9/2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

NGUYỄN TRUNG KIÊN

GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN QoS NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN DỮ LIỆU THỜI GIAN THỰC TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG HỘI TỤ FMC(FIX-MOBILE-CONVERGENCE NETWORK)

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận án ”Giải pháp định tuyến QoS nhằm nâng cao chất lƣợng dịch vụ truyền dữ liệu thời gian thực trên mạng viễn thông hội tụ FMC (Fix–Mobile-Convergence network)” là công

trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu trong luận án đƣợc sử dụng là trung thực, một phần đã đƣợc công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép của các đồng tác giả;

Phần còn lại chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011

Tác giả

Nguyễn Trung Kiên

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Hồ Anh Tuý, bộ môn Mạch và Xử lý tín hiệu, khoa Điện tử Viễn thông, Đại học BK Hà nội đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp tôi thực hiện

và hoàn thành luận án này

Tôi xin trân trọng cảm ơn GS TS Nguyễn Trọng Giảng – Hiệu Trưởng trường Đại học Bách khoa Hà nội, PGS TS Nguyễn Việt Hùng – Viện trưởng cùng các cán bộ trong Viện đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện bản luận án này

Tôi xin trân trọng cảm ơn, TS Phạm Văn Bình cùng các thày cô giáo trong bộ môn Mạch và Xử lý tín hiệu, khoa Điện tử Viễn thông, Đại học BK Hà nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong thời gian tôi tham gia sinh hoạt khoa học tại bộ môn

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Ban lãnh đạo Trung tâm Công nghệ Thông tin (CDIT), các anh chị, bạn bè và đồng nghiệp phòng Nghiên cứu phát triển Mạng và Hệ thống, Trung tâm Công nghệ Thông tin, Học viện Công nghệ BCVT đã chia sẻ và động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên cứu của mình

Tôi biết ơn những người thân trong gia đình đã luôn bên tôi, quan tâm, động viên, tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành bản luận án

Hà nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011

Nguyễn Trung Kiên

MỤC LỤC

Danh mục các thuật ngữ và ký hiệu viết tắt viii

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN QoS TRÊN MẠNG FMC 19

1.1 Giới thiệu 19

1.2 Một số khái niệm và thuật ngữ 19

1.3 Phát biểu bài toán QoSR trên mạng FMC 23

1.3.1 Phát biểu bài toán 23

1.3.2 Vai trò của bài toán QoSR trên mạng FMC 25

1.3.3 Đặc trưng và các mục tiêu cụ thể của bài toán 26

1.4 Hiện trạng nghiên cứu và phương pháp tiếp cận bài toán QoSR trong các nghiên cứu trước đây 28

1.4.1 Bài toán QoSR với một tham số QoS 28

1.4.2 Bài toán QoSR với 2 tham số QoS 29

1.4.3 Bài toán tổng quát m tham số QoS 30

1.4.3.1 Tham số dạng Min được sử dụng để giản lược mạng 30

1.4.3.2 Bài toán tìm nghiệm tối ưu đa ràng buộc MCOP 32

1.5 Một số vấn đề lớn còn tồn tại đối với bài toán QoSR trên mạng FMC 42 1.6 Lựa chọn phương pháp tiếp cận bài toán trong luận án 44

1.7 Tóm tắt 44

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG GIẢI BÀI TOÁN MCOP 45

2.1 Đặt vấn đề 45

2.2 Giới thiệu giải pháp SAMCRA 45

2.3 Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu năng định tuyến trên cơ sở cải tiến giải pháp SAMCRA 48

2.3.1 Đơn giản cấu trúc mạng sử dụng kỹ thuật lược bỏ 2 chiều 48 2.3.2 Giảm tính toán bằng tìm đường ngược 52

2.3.2.1 Giải pháp 52

2.3.2.2 Thử nghiệm 55

2.3.2.3 Kết quả thử nghiệm và nhận xét: 57

2.3.3 Kết hợp kỹ thuật lược bỏ hai chiều và tìm đường ngược 58

2.4 Kết luận 59

CHƯƠNG 3: MỘT GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN QoS NHẰM HẠN CHẾ SUY GIẢM CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN MẠNG FMC 60

3.1 Đặt vấn đề 60

3.2 Xử lý tắc nghẽn 62

3.3 Hạn chế suy giảm chất lượng dịch vụ sử dụng định tuyến QoS 64 3.4 Đề xuất giải pháp định tuyến QoS hạn chế tắc nghẽn 67

3.5 Đề xuất xây dựng một tham số định tuyến mới bổ sung để phản ánh trạng thái tải tức thời của mạng 69

3.6 Tìm đường với tham số wc, đề xuất tham số điểm cắt tải 71

3.7 Thử nghiệm 73

3.7.1 Quan sát khả năng chọn đường đi 73

3.7.2 Quan sát các yêu cầu định tuyến bị từ chối 78

3.8 Nhận xét kết quả 80

3.9 Kết luận 80

CHƯƠNG 4: MỘT GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN QoS NHẰM NÂNG CAO DỰ TRỮ QoS CHO CÁC PHIÊN LIÊN LẠC LIÊN MẠNG FMC 82 4.1 Đặt vấn đề 82

4.2 QoS từ đầu cuối đến đầu cuối trong mạng FMC 82

4.3 Khái niệm ―dự trữ QoS― 87

4.4 Đề xuất giải pháp QoSR nhằm tăng dự trữ QoS cho các phiên liên mạng 90

4.4.1 Đề xuất dự trữ QoS cho các phiên liên lạc liên mạng 91

4.4.2 Đề xuất phương pháp nhận dạng định tuyến nội mạng và định tuyến liên mạng 92

4.4.3 Đề xuất sử dụng các thuật toán định tuyến thích hợp cho các yêu cầu nội mạng hay liên mạng 93

4.4.4 Đề xuất cấu trúc bộ định tuyến ở các nút mạng FMC 94

4.5 Thử nghiệm 95

4.6 Kết quả và nhận xét 97

4.7 Ứng dụng của đề xuất 99

4.8 Kết luận 99

KẾT LUẬN 101

Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo 103

PHỤ LỤC 104

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

AN Access Network Mạng truy nhập

ASP Application Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng ATM Asynchronous Transfer Mode

Networking

Mạng truyền dữ liệu không đồng

bộ

BER Bit error rate Xác suất lỗi bít

BFS Breadth-first search Giải thuật tìm kiếm theo chiều

rộng C3, C4,

C5

Class 3, 4, 5 Các lớp trong phân cấp của mạng

chuyển mạch TDM

CP Content Provider Nhà cung cấp nội dung

CPE Customer Premises Equipment Thiết bị khách hàng

COPS Common Open Policy Service Giao thức điều khiển tài nguyên CPU Central Procesing Unit Bộ xử lý trung tâm

DFS Depth-first search Giải thuật tìm kiếm theo chiều sâu Diffser

Constraints Routing Algorithm

Giải pháp tìm đường đi đa ràng buộc dự phòng

DSCP Diferentiated Service Code

Point

Trường thông tin nhận dạng mức QoS trong Diffserv

DMOS Degradation Mean Opinion

Score

Thang đo dùng để tính toán mức suy giảm chất lượng dịch vụ VoIP theo cảm nhận

E2E End To End Đầu cuối đến đầu cuối

ER Edge Router Bộ định tuyến biên

Internet converged Services

Nhóm tiêu chuẩn hoá mạng NGN thuộc Viện tiêu chuẩn châu Âu

and Protocols for Advanced

Networking

FMC Fixed Mobile Convergence Mạng hội tụ cố định – di động FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file trên Internet FTTX Fiber-to-the-X Truy nhập băng rộng sử dụng cáp

quang

GA Genetic algorithm Giải thuật di truyền

GSM Global System for Mobile

Communication

Mạng di động thế hệ 2G sử dụng

kỹ thuật truy nhập phân chia theo thời gian

HNN Hopfield Neural Network Mạng nơ ron Hopfield

HSI High Speed Internet Dịch vụ Internet tốc độ cao

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ điều khiển đa phương tiện Intserv Integrated Services(rfc1633) Dịch vụ tích hợp

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ITU-T International

Telecommunication Union

Liên minh Viễn thông quôc tế

IPTV Internet Protocol Television Dịch vụ truyền hình trên mạng IP IP6 IP version 6 Giao thức IP phiên bản 6

LAN Local area network Mạng máy tính nội bộ

LDM Load distribution in MPLS Giải pháp phân bố tải trong mạng

MPLS tránh nghẽn LRD long-range-dependent Tính phụ thuộc thời gian dài

LTE Long Term Evolution Mạng di động 4G theo chuẩn

3GPP MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

truyền tải MATE MPLS Adaptive Traffic

Multiple Constrained

Link-disjoint Path Pair

Bài toán tìm cặp đường không giao nhau trong trường hợp đa ràng buộc

MIRA Minimum interference routing

algorithm

Giải thuật định tuyến tìm đường giữa cặp nguồn/đích sao cho ảnh hưởng ít nhất đến tài nguyên trên các cặp nguồn/đích khác

MOS Mean Opinion Score Thang đo dùng để tính toán mức

chất lượng dịch vụ VoIP theo cảm nhận

MPEG

x

Moving Picture Experts Group Chuẩn nén dữ liệu Video

MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MSAN Multi-Service access node Thiết bị truy nhập của dịch vụ

thoại trong mạng NGN MST Minimum spanning tree Cây phủ tối thiểu

NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau

NP Network Provider Nhà cung cấp hạ tầng mạng

OSI Open Systems Interconnection

PBT Provider Backbone Transport Kỹ thuật triển khai mạng metro

băng rộng dựa trên Ethernet PBR Profile Based Routing ĐỊnh tuyến dựa trên thông tin

profile PDA Personal digital Assistant Thiết bị đầu cuối số cá nhân

PNNI Private Network-Node

QoSR QoS routing Định tuyến chất lượng dịch vụ QOSP

Facility

Điều khiển truy nhập tài nguyên

RCF Resouce Control Function Chức năng điều khiển tài nguyên RSVP Resource ReSerVation

Protocol

Giao thức giành trước tài nguyên

RFC Request For Comment Các bản ghi nhớ nghiên cứu mới

và phương pháp luận ứng dụng cho Internet

SAMC

RA

Self-adaptive Multiple

Constraints Routing algorithm

Giải pháp tìm đường đi tối ưu, đa ràng buộc thích nghi

SAMC

RA-B

nguyên băng thông còn lại trên các tuyến

SCF Service Control Function Chức năng điều khiển dịch vụ SCTP Stream Control Transmission

Protocol

Giao thức truyền tải thời gian thực

SP Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ

SRD Short-range-dependent Tính phụ thuộc thời gian ngắn SLA Service Level Agreement Thoả thuận chất lượng dịch vụ SNR Signal-to-noise ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

UB,

LB

Uper bound, Lower bound Bao (bound) trên và bao dưới

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Mạng di động thế hệ 3 sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo

mã trãi phổ UDP/T

CP

User Datagram protocol/

Transmission Control Protocol

Cặp giao thức lớp truyền tải trong

mô hình OSI VoD Video On Demand Dịch vụ Video theo yêu cầu

VoIP Voice over IP protocol Thoại trên nền mạng IP

VNPT Vietnam Post and Telecom

Group

Tập đoàn BCVT Việt nam

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

TAMC

RA

Tunable Accuracy Multiple

Constraints Routing Algorithm

Thuật toán định tuyến đa ràng buộc đọ chính xác có thể điều chỉnh được

TE Traffic Engineering Kỹ thuật lưu lượng

TDM Time-division multiplexing Mạng viễn thông dựa trên kỹ thuật

ghép kênh theo thời gian TMF Telecom Management Forum Diễn đàn về quản lý mạng viễn

thông TSP Travelling Salesman Problem Bài toán người bán hàng

gói xDSL Digital subscriber line Kỹ thuật truyền số liệu trên đôi

dây đồng (ADSL, HDSL, VDSL ) xVNO Virtual Network Operator Nhà khai thác dịch vụ Viễn thông

ảo (Mobile VNO, Fix VNO) WFQ Weighted Fair Queue Hàng đợi cân bằng có trọng số

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

G(N, E, m) Cấu trúc mạng trong bài toán định tuyến gồm N nút,

E tuyến và m tham số QoS

w i (i=1 m) Tham số QoS thứ i (i=1.m)

Li (i=1 m) Ràng buộc ứng với tham số QoS thứ i (i=1 m)

LMIN, LADD Tập ràng buộc tương ứng với các tham số QoS dạng

wi(P(s, u)) Độ dài đường đi ứng với tham số QoS thứ i từ s đến

nút trung gian u trong quá trình tìm đường

k, kmax Hệ số nguyên, dương sử dụng trong thuật toán tìm k

đường ngắn nhất (k-shortestpath), kmax là giá trị lớn nhất của k

blhi(u), uN Giá trị thông số look-ahead từ nút u về đích d

flhi(u), uN Giá trị thông số look-ahead từ nút u về nguồn s

C FX Độ phức tạp tính toán của biểu thức/hàm FX

O() Độ phức tạp thuật toán

£ Hệ số so sánh độ phức tạp tương đối của giải pháp

RL-SAMCRA và SAMCRA

h Số lần cập nhật sự biến động về trạng thái mạng trong

thời gian 1 giây

V Tần suất yêu cầu định tuyến đến nút trong thời gian 1

giây

 Điểm biểu diễn thông số tải mà tại đó giá trị của tham

số QoS bắt đầu biến đổi nhanh theo tải

 Điểm cắt tải, tại đó nút/tuyến không cho phép tiếp

nhận yêu cầu truyền dữ liệu mới qua nó

L, N Điểm cắt tải ứng với tuyến và nút

wc Tham số biểu diễn sự phụ thuộc của thông số QoS

tuyến/nút vào tải trên tuyến/nút đó

wcL(u,v) Thông số wc của tuyến (u, v)

wcN(v) Thông số wc của nút v

u,v Tải hiện tại trên tuyến (u, v)

v Tải hiện tại trên nút v

fL(u,v), fN(v) Hàm đặc tuyến phụ thuộc của thông số QoS tuyến

(u,v) /nút (v) vào tải

R i (i=1 m) Dự trữ QoS tuyệt đối của một phiên liên lạc ứng với

tham số QoS thứ i

ri Dự trữ QoS tương đối của một phiên liên lạc

r[A],i(P) Dự trữ tương đối ứng với tham số QoS thứ i trong

phân đoạn mạng A khi phiên truyền theo đường P Counter L ,

Counter N

Tương ứng là số lượng phiên liên mạng và nội mạng trong bước thử nghiệm

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Quan hệ giữa mạng FMC, QoS và QoSR 19

Hình 1-2: Ví dụ minh họa cấu trúc hình học của bài toán QoSR G( 6, 8, 3) 24

Hình 1-3: Bài toán QoSR trong luận án này 28

Hình 1-4: Phân loại bài toán định tuyến QoS 28

Hình 1-5: Cấu trúc mạng ví dụ ban đầu 31

Hình 1-6: Cấu trúc sau khi Prune 31

Hình 1-7: Không gian nghiệm của bài toán QoSR với 2 tham số dạng cộng 31

Hình 1-8: Kết hợp tuyến tính các tham số 36

Hình 1-9: Kết hợp phi tuyến các tham số 36

Hình 1-10: Độ dài l(P) khi q →∞ 37

Hình 2-1: Ví dụ về sử dụng thông tin look-ahead trong SAMCRA 48

Hình 2-2: Loại bỏ nút u nếu tại u có ít nhất một tham số i có blhi > Li 49

Hình 2-3: Loại bỏ nút u nếu có ít nhất một tham số i sao cho f lh(u) + b lh (u) > L i 50

Hình 2-4: Minh họa ràng buộc 52

Hình 2-5: Sử dụng thông tin look-ahead trong SAMCRA (a) và của tác giả (b) 55

Hình 2-6: Biểu diễn £ theo V-h 57

Hình 2-7: Kết hợp việc đơn giản mạng và RL-SAMCRA 58

Hình 3-1: MOS và DMOS (nguồn: [9]) 60

Hình 3-2: Ví dụ về ảnh hưởng của Trễ lên chất lượng dịch vụ thoại VoIP, nguồn 61

Hình 3-3: Ví dụ về ảnh hưởng của Mất gói lên QoS dịch vụ thoại VoIP, nguồn 61

Hình 3-4: Các kỹ thuật quản lý lưu lượng 63

Hình 3-5: Sử dụng các kỹ thuật quản lý lưu lượng ở các cấp độ thời gian khác nhau 64

Hình 3-6: Cấu trúc một thiết bị định tuyến 68

Hình 3-7: Minh hoạ về phụ thuộc của trễ vào thông số tải 69

Hình 3-8: ví dụ minh hoạ 71

Hình 3-9: Điểm cắt tải 72

Hình 3-10: w c phụ thuộc chiều duyệt tuyến (u,v) 73

Hình 3-11: Cấu trúc mạng mô phỏng 74

Hình 3-12: Đặc tuyến wc dùng trong thử nghiệm 75

Hình 3-13: Đường đi tìm được trong trường hợp không xét đến tải tuyến và nút 76

Hình 3-14: đường đi tìm được khi xét đến tải của tuyến 77

Hình 3-15: Kết quả đường đi tìm được khi xét đến tải của tuyến và nút 78 Hình 3-16: Kết quả mô phỏng với N=128; 79

Hình 4-1: Mô hình E2E QoS của ITU-T (Y 1291) 83

Hình 4-2: Phiên liên lạc bất kỳ trên FMC có thể đi qua nhiều miền mạng

khác nhau 83

Hình 4-3: Trong nội bộ một nhà cung cấp FMC cũng có sự liên mạng 84

Hình 4-4: Cam kết SLA giữa các đối tƣợng trên mạng FMC 85

Hình 4-5: Ví dụ minh hoạ về kiến trúc thiết lập phiên QoS 86

Hình 4-6: Phân chia việc đảm bảo QoS E2E cho các miền 87

Hình 4-7: Ví dụ minh họa cho khái niệm ―dự trữ QoS‖ 88

Hình 4-8: Dự trữ QoS khi mạng FMC gồm nhiều miền mạng 89

Hình 4-9: Phiên thoại nội mạng 91

Hình 4-10: Phiên liên lạc thoại liên mạng 92

Hình 4-11: Nội mạng và liên mạng 92

Hình 4-12: Quan hệ giữa dự trữ QoS và mục tiêu tìm nghiệm bài toán MCOP 94

Hình 4-13: Đề xuất kiến trúc thiết bị định tuyến 95

Hình 4-14: Dự trữ nội mạng (N=256) 97

Hình 4-15: Dự trữ liên mạng (N=256 ) 98

Hình 4-16: So sánh 2 độ dự trữ trên cùng biểu đồ (N=256) 98

MỞ ĐẦU

1 Tính khoa học và tính cấp thiết của luận án

Mạng hội tụ cố định - di động (FMC - Fixed Mobile Convergence Network) là xu hướng phát triển tất yếu của mạng Viễn thông, đây là giai đoạn phát triển cao của mạng Viễn thông NGN (Next Generation Network)

Sự giống nhau giữa mạng FMC và mạng NGN là:

– Về mặt cung cấp dịch vụ: Đều là mạng cung cấp đa dịch vụ có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông hiện nay từ các dịch vụ yêu cầu băng thông rộng, tính thời gian thực cao đến các dịch vụ không yêu cầu tính thời gian thực thấp hoặc không yêu cầu thời gian thực – Về tổ chức mạng: Cả hai mạng đều có kiến trúc phân lớp, mở và sử dụng mạng chuyển mạch gói IP làm giao thức lớp truyền tải báo hiệu cũng như dữ liệu của các phiên liên lạc

Sự khác biệt giữa mạng FMC và mạng NGN là:

– Mạng truy nhập trong mạng FMC cho phép truy nhập không hạn chế bằng các phương thức truy nhập khác nhau (có dây, không dây) và người sử dụng sẽ di chuyển trong miền truy nhập này trong khi vẫn giữ được sự liên tục của các phiên liên lạc đang diễn ra – Các thiết bị truy nhập (ví dụ các trạm Access Point, các thiết bị đầu cuối di động cá nhân như PDA, Smart phone ) cũng có thể đóng vai trò các nút định tuyến làm trung gian cho các lưu lượng dữ liệu

từ các đầu cuối khác đi qua nó (mạng ad-hoc)

Sự khác biệt này sẽ ảnh hưởng đến các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch

vụ trên mạng FMC:

– Sự di chuyển không hạn chế của đầu cuối thuê bao cũng như nhu cầu sử dụng băng thông lớn từ các ứng dụng Multimedia trong mạng FMC làm cho mạng liên tục thay đổi về các luồng lưu lượng,

các điểm có nguy cơ tắc nghẽn rất dễ xảy ra khi người sử dụng tập trung mật độ cao (tại các điểm công cộng, lễ hội )

– Các thiết bị đóng vai trò định tuyến trong FMC nhiều khi có tài nguyên (bộ nhớ, năng lực CPU, nguồn nuôi) hạn chế nên các thuật toán định tuyến cần có độ phức tạp hợp lý để có khả năng triển khai

– Tính di động của thuê bao cũng như tính mở trong cấu trúc mạng

dẫn đến các phiên liên lạc trên FMC đặc biệt là các phiên liên lạc

đường dài phải đi qua nhiều miền mạng và miền quản lý khác nhau,

sự tích lũy trễ, mất gói dọc theo đường đi làm cho việc đảm bảo chất lượng dịch vụ từ đầu cuối đến đầu cuối (E2E) rất khó khăn Đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trên mạng FMC nghĩa là mạng phải cung cấp được các dịch vụ sao cho thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng rất khác nhau từ các dịch vụ/ứng dụng Việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trên mạng FMC rất khó và hiện là trở ngại lớn nhất trong việc hiện thực hóa mạng FMC Một số nguyên nhân chính của sự phức tạp này là do mạng FMC hình thành trên cơ sở nhiều mạng con, nhiều công nghệ, nhiều nhà quản lý, đặc tính của mạng IP là không được thiết kế hướng QoS và bên cạnh đó môi trường truy nhập vô tuyến dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện ngoại cảnh (thời tiết, vật cản)

Mạng Viễn thông đã chuyển sang NGN từ những năm 2000 và hiện tại một số nhà khai thác lớn đang chuyển sang giai đoạn FMC Dù được kỳ vọng rất nhiều nhưng trước mắt việc triển khai mạng FMC còn tương đối hạn chế Trong thời gian quá độ vừa qua mạng TDM cũ vẫn đang tồn tại nên các mạng NGN chỉ là các ốc đảo với phạm vi giới hạn, tuy nhiên, công nghệ TDM sẽ song song tồn tại một thời gian nữa và tới khi đó một mạng All-IP cần phải có khả năng chín để thay thế thế hệ mạng TDM Thực tế, để mạng NGN/FMC thay thế được mạng TDM đảm bảo về chất lượng dịch vụ thì còn rất nhiều vấn đề cần phải giải quyết Vấn đề gốc rễ

của chất lượng dịch vụ trên mạng FMC là vấn đề chất lượng dịch vụ trên mạng IP hiện cũng đang còn nhiều vấn đề nan giải thì nay lại thêm vấn đề

về sự hội tụ với phương thức truy nhập không dây làm cho việc đảm bảo QoS trên FMC càng phức tạp hơn Việc đảm bảo QoS trên mạng FMC không phải là vấn đề cục bộ của một miền nào, lớp nào mà là vấn đề mang tính tổng thể trong mọi khía cạnh của mạng và vấn đề định tuyến chất lượng dịch vụ (QoSR) là một phần quan trọng trong đó

Mỗi phiên liên lạc bất kỳ trên mạng đều trải qua một số bước chính: Tìm đường đi, thiết lập đường đi, giành tài nguyên, truyền dữ liệu, kết thúc phiên và giải phóng tài nguyên Tìm đường đi QoS (định tuyến QoS -

QoSR) là pha đầu tiên trong bất kỳ phiên liên lạc nào thực hiện việc tìm

ra đường đi theo yêu cầu ràng buộc về QoS trên trạng thái mạng hiện tại Nếu không tìm ra một đường đi đảm bảo yêu cầu QoS thì không thể có cơ chế thiết lập đường nào sau đó có thể đảm bảo duy trì chất lượng cho

phiên này, vì vậy QoSR đóng vai trò như điều kiện cần cho việc đảm bảo

QoS của các dịch vụ/ứng dụng trên mạng FMC

Với vai trò quan trọng là điều kiện cần cho việc đảm bảo QoS các phiên liên lạc trên FMC thời gian qua đã có nhiều nghiên cứu xung quanh vấn

đề định tuyến QoS [1], [16], tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết, một số vấn đề lớn có thể kể đến như:

– Thứ nhất: Bài toán QoSR cần được triển khai vào thực tế để cung

cấp các dịch vụ theo yêu cầu QoS trên môi trường đa dịch vụ nhưng độ phức tạp của các giải pháp vẫn là trở ngại cho việc này

– Thứ hai: Với vai trò tìm đường đi, QoSR có khả năng phân

phối/kiểm soát lưu lượng truyền dữ liệu vào mạng và có thể tác động vào chất lượng mạng Vậy, vai trò cũng như giải pháp QoSR đối với việc hạn chế suy giảm chất lượng mạng FMC như thế nào?

– Thứ ba: Đích đến của vấn đề chất lượng dịch vụ là chất lượng toàn

trình (End-To-End QoS) Vai trò của QoSR trong vấn đề này như thế nào?

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là bài toán định tuyến QoS trên mạng FMC Dưới góc độ lý thuyết bài toán QoSR là bài toán tìm đường đi trên

một cấu trúc hình học tương tự bài toán định tuyến best-effort nhưng ở đây bài toán định tuyến QoS giải quyết đồng thời nhiều tham số QoS Bài toán QoSR trong luận án này được đặt trong các đặc trưng của thế hệ mạng FMC là mạng đa dịch vụ, kích thước mạng lớn, biến động nhanh, các nút mạng thực hiện chức năng định tuyến có tài nguyên hạn chế

Phạm vi nghiên cứu: Định tuyến QoS là một vấn đề khá rộng và được đề

cập trong nhiều nghiên cứu gần đây, do vậy, trong luận án này tác giả không nghiên cứu dàn trải mà tập trung vào các vấn đề vướng mắc hiện đang gặp phải trong bài toán định tuyến QoS

3 Mục tiêu của luận án

Mục tiêu của luận án là nâng cao chất lượng các dịch vụ trên mạng FMC

đặc biệt với các dịch vụ có tính thời gian thực cao (các ràng buộc QoS chặt) trên cơ sở sử dụng định tuyến QoS

Mục đích cụ thể của luận án là nhằm cải thiện hiệu năng tính toán của bài

toán tìm đường đa ràng buộc tối ưu ( MCOP), tìm giải pháp QoSR duy trì tính ổn định của chất lượng mạng và hướng đến việc đảm bảo chất lượng dịch vụ toàn trình khi có sự liên mạng

4 Phương pháp luận nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu trong luận án được kết hợp logic giữa lý thuyết với tiến hành thực hiện kiểm chứng Tác giả đã phân tích, so sánh các ưu nhược điểm, tính hiệu quả của các giải pháp trong việc giải quyết mục

tiêu bài toán để trên cơ sở đó tìm ra hướng giải quyết thích hợp hơn, khắc phục được các nhược điểm, đạt được hiệu quả tốt hơn một cách tương đối

so với các giải pháp trước đây

5 Bố cục luận án

Luận án được chia làm 4 chương:

– Chương 1: Trình bày cơ sở lý thuyết bài toán định tuyến QoS trên

mạng FMC Chương này giới thiệu khái niệm và thuật ngữ cơ bản,

phát biểu bài toán định tuyến QoS trên mạng FMC và lựa chọn phương pháp tiếp cận bài toán của tác giả trong luận án

– Chương 2: Đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng giải bài toán tìm

đường tối ưu đa ràng buộc (MCOP) hướng đến khả năng tích hợp

giải thuật này trong các thiết bị mạng

– Chương 3: Đề xuất giải pháp định tuyến QoSR nhằm tránh sự suy

giảm của chất lượng mạng do hiện tượng tắc nghẽn trong mạng

trên cở sở đề xuất tham số điều khiển mới bổ sung và sử dụng giải thuật kết quả của chương 1 để tìm đường Giải pháp vừa hướng đến

thỏa mãn khách hàng đồng thời thỏa mãn nhà cung cấp dịch vụ

– Chương 4: Đề xuất một giải pháp định tuyến QoS nâng cao dự trữ

QoS cho các phiên liên lạc liên mạng FMC, mục tiêu của đề xuất là

nhằm sử dụng hiệu quả các giải pháp QoS trong các tình huống khác nhau đồng thời tăng cường hỗ trợ QoS trong kết nối liên mạng

– Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các đề xuất mới của tác giả và dự

kiến hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án

6 Các đóng góp mới của luận án

Trong quá trình hình thành mạng FMC đòi hỏi phải có các giải pháp mới

để đảm bảo chất lượng dịch vụ, trong đó vấn đề định tuyến QoS được coi

là giải pháp quan trọng Luận án này đã có một số đóng góp mới như sau:

– Luận án đã đề xuất giải pháp bổ sung tham số mới phản ánh trạng thái tải tức thời của mạng giúp tránh được các tuyến và nút có tải cao trong quá trình định tuyến

– Mạng truy nhập của mạng hội tụ FMC là phức tạp, bởi vậy luận án

đã đề xuất phương pháp đảm bảo độ dự trữ QoS cho các phiên liên lạc liên mạng FMC trong bước định tuyến QoS

– Khi bài toán định tuyến QoS ngày càng phức tạp trong trường hợp mạng FMC, luận án đã đề xuất phương pháp tăng hiệu năng giải bài toán MCOP để bài toán dễ đi vào thực tiễn

CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN QoS TRÊN MẠNG FMC

Hình 1-1: Quan hệ giữa mạng FMC, QoS và QoSR

Trong chương này phần đầu tác giả trình bày một số khái niệm và thuật ngữ

cơ bản sử dụng trong luận án, tiếp theo tác giả phát biểu bài toán định tuyến QoS trên mạng FMC, sau khi phân tích một số phương pháp tiếp cận bài toán này gần đây tác giả đưa ra lựa chọn phương pháp tiếp cận của mình, phần cuối là tóm lược các nội dung của chương

1.2 Một số khái niệm và thuật ngữ

Mạng IP: Mạng chuyển mạch gói dựa trên giao thức lớp mạng là giao thức

IP (Internet Protocol) và được sử dụng phổ biến trên mạng Internet hiện nay

Mạng NGN: Là thuật ngữ chỉ chung cho thế hệ mạng Viễn thông thế hệ tiếp

theo (Next Generation Network), lấy mạng IP làm mạng truyền tải và kiến trúc được thiết kế theo nguyên tắc lớp điều khiển/dịch vụ độc lập với hạ tầng truyền tải [19]

Mạng FMC: Mạng hội tụ cố định, di động (Fixed Mobile Convergence) [5],

[14], [20] là giai đoạn phát triển cao của mạng NGN [21], ở đó có sự tích hợp thêm phần mobile, wireless và lớp truy nhập cho phép truy nhập không hạn chế đến các dịch vụ của mạng

Dịch vụ/ứng dụng trên mạng FMC: Mạng FMC là mạng đa dịch vụ cho

phép các dịch vụ truyền thông hiện có trên mạng Viễn thông/ Internet hiện nay: Thoại, truyền hình, phát thanh, điều khiển, y tế từ xa, giám sát từ xa, mail, web Các dịch vụ này được phân thành một số nhóm dịch vụ như:

VPN - Dịch vụ mạng riêng ảo (Virtual Private Network), VoIP- Dịch vụ thoại trên giao thức IP gồm cả thoại cố định và di động (Voice Over IP), IPTV - Dịch vụ truyền hình trên mạng IP (IP Television) và HSI - Dịch vụ Internet tốc độ cao (High Speed Internet)

Chất lượng dịch vụ (QoS): Ở nghĩa rộng, chất lượng dịch vụ (QoS) là mức

độ hài lòng hay thoả mãn của người sử dụng đối với dịch vụ, trong định

nghĩa này, chất lượng dịch vụ bao hàm cả vấn đề kỹ thuật cũng như phi kỹ thuật như marketing, hậu mãi Trong luận án chỉ xét đến góc độ kỹ thuật:

chất lượng dịch vụ là tập hợp các yêu cầu kỹ thuật cần được thỏa mãn bởi

cơ sở hạ tầng mạng và dịch vụ đối với dịch vụ được cung cấp Tài liệu [10],

[37] giới thiệu tổng quan về chất lượng dịch vụ trên mạng

Chất lượng mạng: Các dịch vụ trên mạng NGN/FMC đều được xây dựng

trên mạng truyền tải IP nên chất lượng dịch vụ kế thừa mức chất lượng mạng (biểu diễn bởi các thông số QoS mạng như: Băng thông, trễ, mất gói,

độ tin cậy) đồng thời bổ sung các thông số đặc trưng của dịch vụ đó (ví dụ:

thông số thời gian thiết lập cuộc gọi đối với dịch vụ thoại VoIP chẳng hạn)

Định tuyến: Là việc tìm đường đi trên một cấu trúc topo thỏa mãn điều kiện

cho trước, chẳng hạn tìm đường đi ngắn nhất trên đồ thị Định tuyến cấu

thành từ hai bộ phận chức năng là Giao thức định tuyến (thu thập thông tin)

và Thuật toán định tuyến (tìm đường trên thông tin thu được) Các giải thuật

tìm đường nổi tiếng trên đồ thị như Dijkstra, Bellman Ford [82] Định tuyến

có thể bao gồm định tuyến tĩnh (thiết lập trước) hoặc định tuyến động (thay đổi theo từng yêu cầu cụ thể) Định tuyến cũng có thể có ở lớp ứng dụng

(thường là định tuyến tĩnh, ví dụ định tuyến cuộc gọi thoại khai báo trên hệ

thống điều khiển như Softswitch/IMS), ở lớp mạng (định tuyến IP) và gần

đây định tuyến có thể ở mức thấp hơn (như định tuyến quang ở lớp vật lý)

Định tuyến Best Effort: Định tuyến Best-effort (BE) ám chỉ việc tìm đường

đi trên mạng Internet hiện nay, là định tuyến thuộc lớp mạng - IP Mục tiêu định tuyến BE là tìm đường đi thỏa mãn một ràng buộc là tìm đường ngắn nhất (hay số hop trên đường đi tìm được là ít nhất) Các giao thức định tuyến BE phổ biến như RIP, OSPF

Định tuyến QoS: Việc tìm đường đi phải thỏa mãn nhiều điều kiện ràng

buộc đồng thời (trễ, mất gói, băng thông, giá thành ) Định tuyến QoS thường là định tuyến động, thực hiện ở lớp mạng và đôi khi ở các lớp thấp

hơn (Ví dụ ở lớp Vật lý hay Liên kết dữ liệu trong miền truy nhập không dây chẳng hạn) Tài liệu [11] phân tích các tham số QoS khác nhau có thể sử dụng trong định tuyến QoS Định tuyến QoS là một phần trong các giải pháp

hỗ trợ QoS để hướng đến cơ chế thỏa thuận chất lượng dịch vụ (SLA) [58]

Cơ chế thỏa thuận chất lượng dịch vụ SLA: Cơ chế cung cấp dịch vụ Viễn

thông theo mức thỏa thuận chất lượng và được đề cập khá chi tiết trong bộ tài liệu của tổ chức TMF [27] Nhà cung cấp dịch vụ có thể có các mức chất lượng khác nhau đối với cùng dịch vụ, khách hàng sử dụng mức chất lượng nào sẽ chỉ phải trả cước phí tương ứng với mức đó Đây là cơ chế cung cấp

mà các nhà cung cấp dịch vụ cũng như khách hàng đều mong muốn hướng đến Định tuyến QoS là một trong số các kỹ thuật hỗ trợ hướng đến giải pháp cung cấp dịch vụ theo SLA

Tham số QoS: Là các tham số có tính khả năng định lượng được để diễn tả

đặc trưng về chất lượng của dịch vụ và thường được sử dụng trong các cam

kết SLA Các tham số QoS được chia làm 3 loại: Cộng (Additive), Nhân(Multiplicative) và Min(Concave):

Ký hiệu w là tham số QoS tổng quát và w(i,j) là tham số QoS trên tuyến i,j

P=(i,j,k, , u,v) là một đường đi trên cấu trúc mạng G(N,E,m) trong đó i, j, , u,v là các nút dọc theo P Gọi l(P) là độ dài đường đi P thì tham số QoS

w được gọi là:

– có tính chất cộng nếu l(P)= w(i, j)+w(j, k)+ + w(u,v);

– có tính chất nhân nếu l(P)=w(i,j)*w(j,k)* *w(u,v);

– có tính chất Min nếu l(P) = min{w(i,j),w(j,k), , w(u,v)}

Thông số QoS: Thông số QoS ứng với tham số QoS nào đó là giá trị của

tham số QoS đó tại thời điểm xét Chẳng hạn, tại thời điểm t1 băng thông còn lại trên tuyến (u,v) là 1 kbps, tại thời điểm t2 giá trị này lại là 2, 2 1

Thông số QoS trên mạng thường biến đổi theo trạng thái mạng, một số tham

số QoS biến đổi nhanh như băng thông, một số tham số QoS ít biến đổi như trễ

Tham số định tuyến QoS: là tập hợp các tham số QoS được lựa chọn sử

dụng trong bài toán định tuyến QoS Tùy mục tiêu bài toán cần giải quyết thì bộ tham số này có thể khác nhau Chẳng hạn giải pháp định tuyến QoS nhằm mục tiêu sử dụng tối ưu tài nguyên băng thông thì chỉ sử dụng tham số

băng thông và số hop

Tính thời gian thực của ứng dụng trên FMC: Các ứng dụng truyền thông

khác nhau có thể có đòi hỏi giới hạn về thời gian truyền tin từ nguồn đến đích Các ứng dụng cho phép thời gian trễ càng nhỏ thì có tính thời gian thực càng cao (ví dụ điều khiển, y tế từ xa), ngược lại các ứng dụng ít hoặc không có yêu cầu cố định về thời gian truyền nhận (như Web) thì có tính

thời gian thực thấp (hay BE) Ràng buộc về trễ L trễ cho biết mức độ yêu cầu

tính thời gian thực cao hay thấp (ví dụ dịch vụ VoIP cho phép trễ  150ms,

hay Ltrễ=150ms) Trong luận án, khái niệm thời gian thực được sử dụng mang tính hàm ý đến các yêu cầu chất lượng dịch vụ cao về ràng buộc tham

số trễ Tuy nhiên, các giải pháp định tuyến QoS trong luận án đề cập bao trùm hơn, nghĩa là không chỉ cho các phiên yêu cầu thời gian thực cao mà cho các các phiên có yêu cầu độ tin cậy cao, mất gói thấp v.v, yêu cầu thời gian thực chỉ là một trường hợp đặc biệt trong tổng thể các yêu cầu liên

quan đến định tuyến QoS đề cập đến trong luận án này

Nhà cung cấp dịch vụ: Đây là đối tượng thiết lập mạng tổ chức cung cấp,

khai thác dịch vụ FMC Trong thực tế người ta có thể phân chia đối tượng

này thành Nhà cung cấp cơ sở hạ tầng mạng, Nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng, Nhà cung cấp dịch vụ gia tăng, Nhà khai thác Trong luận án, sự phân biệt này không mang nhiều ý nghĩa về kỹ thuật nên tác giả gọi chung là Nhà cung cấp dịch vụ

Khách hàng sử dụng dịch vụ: Là đối tượng sử dụng các dịch vụ do mạng

FMC của nhà cung cấp dịch vụ FMC đưa ra như: thoại trên IP (VoIP), Internet tốc độ cao (HSI), mạng riêng ảo (VPN), truyền hình trên IP (IPTV),

di động

1.3 Phát biểu bài toán QoSR trên mạng FMC

1.3.1 Phát biểu bài toán

Cho một cấu trúc mạng G (N, E, m) trong đó N là số đỉnh, E là số cạnh và m

là số tham số QoS Hình 1-2 là ví dụ minh họa G(6,8,3):

2 0

2 0

4 0

6 0

) ,

( v u l

Hình 1-2: Ví dụ minh họa cấu trúc hình học của bài toán QoSR G( 6, 8,

3)

Mỗi đỉnh biểu diễn một nút mạng có chức năng định tuyến Mỗi cạnh là

một tuyến (link) kết nối giữa 2 nút mạng (u, v) bất kỳ được biểu diễn bởi một vector m tham số QoS:

v u

v u

v u l

l

l l

m , , , ,

2 1

(1.1) Gọi độ dài đường đi P nối 2 điểm bất kỳ trên G(N, E, m) là l(P), ở đây l(P)

P l

l

l l

m

2 1

(1.2)

Gọi L là tập các ràng buộc ứng với m tham số QoS được biểu diễn dưới dạng một vector:

L

2 1

(1.3)

Bài toán định tuyến QoS được phát biểu như sau: Tìm đường đi P từ nguồn

s đến đích d trên cấu trúc G(N, E, m) sao cho độ dài đường đi P là thỏa mãn

MIN MIN

L l(P)

L l(P)

(1.4)

Với LMIN là các ràng buộc với tham số QoS dạng Min và LAdd là tập các ràng buộc với các tham số dạng cộng

Dưới góc độ ứng dụng, bài toán QoSR được đặt trong môi trường cụ thể

trong luận án này bài toán được đặt trong một môi trường đặc trưng là mạng hội tụ cố định di động FMC

1.3.2 Vai trò của bài toán QoSR trên mạng FMC

Định tuyến QoS là chức năng cần thiết và quan trọng trong mỗi nút mạng trên mạng FMC Nó là chức năng thuộc mặt phẳng điều khiển trong mỗi thiết bị mạng (hình 3-4) và đóng vai trò như bộ não của các thiết bị định tuyến Các nút mạng, khi đóng vai trò nút nguồn (s) nhận được yêu cầu thiết

lập phiên truyền dữ liệu đến đích (d) từ các dịch vụ/ứng dụng sẽ thực hiện tuần tự các bước: (1) Tìm đường đi (routing) cho cặp (s, d); (2) Thiết lập

giành đường đi (reservation) và (3) Phân phát gói theo đường đi (data forwarding) Sự cần thiết của chức năng định tuyến thể hiện ở chỗ: mạng liên tục thay đổi, đường đi trên mạng giữa các cặp nguồn đích cũng cần thay đổi theo phụ thuộc vào tình trạng của mạng và định tuyến QoS cần chỉ ra đường đi trên một đối tượng mạng luôn biến động này

Định tuyến QoS cũng đóng vai trò rất quan trọng vì:

– QoSR tìm ra đường đi thỏa mãn yêu cầu ràng buộc/tối ưu từ ứng dụng/dịch vụ, các ràng buộc và mục tiêu tối ưu thay đổi theo từng phiên Nếu không tìm được đường đi thích hợp thì khâu thiết lập đường đi cũng như phân phát dữ liệu sau đó không thể đảm bảo chất lượng dịch vụ

– Kết quả của định tuyến QoS là tìm ra đường đi cho phép đưa lưu lượng mới vào mạng, các lưu lượng này ảnh hưởng trực tiếp lên tài nguyên mạng hiện có, nếu tìm đường sai (ví dụ chọn phải đường đi qua tuyến/nút bị nghẽn) có thể làm cho tình trạng mạng xấu đi ảnh hưởng đến các phiên liên lạc QoS khác

1.3.3 Đặc trưng và các mục tiêu cụ thể của bài toán

Môi trường đặc trưng được xem xét trong khuôn khổ luận án là môi trường mạng FMC, một số đặc trưng tiêu biểu như:

– Mạng có kích thước luôn thay đổi,

– Trạng thái mạng biến động nhanh,

– Nhiều mạng với công nghệ và nhà quản trị khác nhau,

– Phương thức truy nhập đa dạng

–

Mạng FMC được tổ chức để cung cấp dịch vụ cho khách hàng, hai đối

tượng tham gia trong quá trình cung cấp dịch vụ trên FMC là Nhà cung cấp dịch vụ và Khách hàng Trong ngữ cảnh này có thể nhìn thấy các đối tượng

mà QoSR sẽ phải hướng đến thoả mãn hai đối tượng trên

Các mục tiêu của QoSR hướng đến thỏa mãn yêu cầu của hai đối tượng

Người sử dụng và Nhà cung cấp dịch vụ đã được chỉ ra trong tài liệu các yêu

cầu chung của QoSR [81]:

– Mục tiêu thứ nhất: Thoả mãn các ràng buộc là các giới hạn thông số

QoS (ví dụ băng thông > 2Mbps, trễ < 150ms, mất gói <2%) Mục

tiêu này nhằm thỏa mãn khách hàng sử dụng dịch vụ, các yêu cầu định tuyến này là động và thay đổi theo từng phiên liên lạc Trong trường hợp có nhiều đường đi thỏa mãn ràng buộc thì đường đi được chọn có thể dựa trên ràng buộc về chính sách (chẳng hạn chọn đường

có giá thành nhỏ hơn hay theo thiết kế của nhà cung cấp dịch vụ)

– Mục tiêu thứ hai là tối ưu việc sử dụng các tài nguyên mạng, mục tiêu

này nhằm sử dụng, cấp phát tài nguyên mạng cho các yêu cầu một cách hợp lý làm sao tăng thông lượng mạng (throughput) Mục tiêu này xuất phát từ phía nhà cung cấp dịch vụ Mỗi nhà cung cấp đều muốn khai thác hiệu quả tối đa tài nguyên mạng hiện có để tối đa hóa lợi nhuận Bên cạnh đó đây cũng là yêu cầu chung trong thiết kế mạng phân bố lưu lượng làm sao để mạng có thông lượng cao nhất QoSR được kỳ vọng điều khiển các lưu lượng trên mạng theo cách hiệu quả để tăng thông lượng mạng tối đa

– Mục tiêu thứ ba của QoSR là hạn chế sự suy giảm chất lượng của

mạng khi tắc nghẽn, mạng có thể xảy ra tắc nghẽn nhưng trong trường hợp đó các cố gắng cần thực hiện là làm sao để chất lượng mạng không bị suy giảm nhanh chóng

Hình 1-3 minh họa bài toán QoSR trong ngữ cảnh mạng FMC với các yêu cầu, mục tiêu và các đặc trưng liên quan:

Người

sử dụng

Nhà cung cấp dịch vụ

Vd:

Băng thông >200 kbps Trễ <100ms

Mất gói <2%

Số hop <4

Với mạng có tài nguyên giới hạn:

-Làm sao để Max throghput?

ổn định

Dịch

vụ/ứng

dụng

Hình 1-3: Bài toán QoSR trong luận án này

1.4 Hiện trạng nghiên cứu và phương pháp tiếp cận bài toán QoSR

trong các nghiên cứu trước đây

Tùy theo từng trường hợp cụ thể xuất phát từ các yêu cầu/mục tiêu từ các

đối tượng Người sử dụng hay Nhà cung cấp dịch vụ, bài toán QoSR đã được nghiên cứu trong các trường hợp tập các tham số QoS cùng tập các mục tiêu

khác nhau Hình 1-4 biểu diễn quan hệ giữa các lớp bài toán này, ở đây có thể phân thành 3 nhóm bài toán QoSR theo số lượng các tham số QoS được xem xét trong bài toán: một tham số QoS, hai tham số QoS và nhiều tham số QoS Đối với các bài toán QoSR với 2 hoặc nhiều hơn 2 tham số QoS có một số dạng đặc biệt liên quan đến bài toán tối ưu là RSP và MCOP (sẽ được trình bày chi tiết trong các phần tiếp theo)

QoSR

Một tham

MCOP RSP

MCP

Hình 1-4: Phân loại bài toán định tuyến QoS

Trong việc giải bài toán định tuyến QoS, một số phương pháp tiếp cận được

sử dụng phổ biến như: phương pháp thực nghiệm (heuristic), phương pháp trí tuệ nhân tạo, phương pháp tìm nghiệm gần đúng

Tiếp theo, luận án trình bày tóm tắt về các phương pháp tiếp cận và các kết quả đã đạt được của bài toán QoSR đến gần đây

1.4.1 Bài toán QoSR với một tham số QoS

Lớp bài toán này đáp ứng cho các yêu cầu cho các ứng dụng chỉ quan tâm đến một khía cạnh cụ thể của QoS, tham số phổ biến là tham số dạng Min

như băng thông (bài toán QoSR với 1 tham số dạng cộng không đặt ra ở đây

vì nó sẽ trở về dạng bài toán tìm đường ngắn nhất như trong định tuyến effort)

best-Các giải pháp định tuyến QoS với tham số duy nhất là băng thông thường sử dụng kỹ thuật tìm đường làm sao để đạt mục tiêu cải thiện thông lượng mạng (through-put): PBR [49], MIRA [66]: các giải pháp này thường căn cứ trên sự hiểu biết về tác động của đường đi tìm được đối với tài nguyên còn lại trên mạng để tìm đường giữa cặp nguồn/đích hướng đến mục tiêu cải thiện thông lượng mạng, giảm số yêu cầu bị từ chối

1.4.2 Bài toán QoSR với 2 tham số QoS

Hai tham số QoS ở đây có thể thuộc dạng Min hoặc Cộng

 Một tham số dạng Min và một tham số Cộng:

 Băng thông và số hop: Các giải pháp WSP [75], SWP [71] đều

quan tâm đến 2 tham số là băng thông và số hop nhưng trong [75] tham số băng thông được xem xét trước với mức độ cao hơn và trong [71] thì ngược lại Giải pháp DAP [72] mở rộng của [75] trong đó thêm một tham số điều khiển đầu vào (admission control) để loại bỏ các đường đi tìm được có số hop nhiều hơn 1 hop so với đường ngắn nhất Giải pháp SDP [73] tác giả cho phép chọn các tuyến có tải thấp hơn trong khi vẫn quan tâm đến số hop Tài liệu [17] tóm tắt một số giải pháp định tuyến với hai tham số này

 Băng thông và trễ [50]: một mặt người ta xem xét tham số băng

thông với mục tiêu tăng thông lượng mạng nhưng bên cạnh đó cũng quan tâm đến thỏa mãn điều kiện về trễ từ yêu cầu của khách hàng

 Hai tham số dạng cộng: lớp bài toán này khá phổ biến được biết dưới dạng RSP (Restricted Shortest Path), ở đây bài toán đặt ra là tìm

đường thỏa mãn điều kiện về trễ và tối ưu về giá thành Phương pháp

giải chủ yếu sử dụng kỹ thuật tìm nghiệm gần đúng (lấy tỷ lệ, làm tròn) [18], [29], [76], kỹ thuật heuristic [46], [67] hay lai ghép của các

kỹ thuật trên [56]

1.4.3 Bài toán tổng quát m tham số QoS

1.4.3.1 Tham số dạng Min được sử dụng để giản lược mạng

Lớp bài toán tìm đường đi thỏa mãn ràng buộc này có số tham số QoS tổng

quát là m tham số (m > 2) và gọi là bài toán MCP Bài toán tìm nghiệm thỏa

mãn đa ràng buộc, tối ưu (MCOP) là trường hợp đặc biệt của MCP đó là tìm nghiệm tối ưu khi bài toán MCP có nhiều nghiệm MCP và MCOP đã được

chứng minh là NP-Complete, đây là dạng phức tạp nhất của giải thuật định

(l(u,v)) MIN và LMIN tương ứng là hai vector tham số dạng MIN có trong bài

toán QoSR biểu diễn bởi các công thức 1.2 và 1.3 trang 12) thì tuyến (u,v)

được loại khỏi cấu trúc do không thỏa mãn điều kiện ràng buộc, cấu trúc

mạng còn lại sau khi lược chỉ còn tham số dạng cộng

Ví dụ: Cho cấu trúc mạng G(6,8,3) hình 1-5, thông số QoS mỗi tuyến được biểu diễn bởi vector 3 tham số là (băng thông, trễ, giá thành) Tìm đường từ

s đến d sao cho: Băng thông ≥ 2Mbps, Delay < 10ms, Cost < 3$?

j {băng thông, trễ, giá thành}

Hình 1-5: Cấu trúc mạng ví dụ ban đầu

Sử dụng kỹ thuật giản lược mạng dựa trên tham số băng thông để loại đi các tuyến có băng thông <2Mbps còn lại cấu trúc như hình 1-6 với 2 tham số

Hình 1-6: Cấu trúc sau khi Prune

Đối với bài toán MCP, đường đi cần tìm là nghiệm thuộc không gian nghiệm của bài toán Hình 1-7 minh họa bài toán 2 tham số QoS dạng cộng:

Không gian các nghiệm bài toán MCP có thể có 3 nghiệm

Nghiệm bài toán MCOP

Nghiệm bài toán RSP, tối

ưu theo tham số 1

Hình 1-7: Không gian nghiệm của bài toán QoSR với 2 tham số dạng

cộng

Hai trục tọa độ minh họa độ dài tương ứng với hai tham số thứ 1 và 2, các

điểm màu đen minh họa tất cả các đường đi khác nhau có thể có giữa s và d, hình chữ nhật được giới hạn bởi hai trục tọa độ và L1, L2 là không gian chứa

các nghiệm thỏa mãn bài toán MCP ( trường hợp này có 3 nghiệm) Trong 3 nghiệm thỏa mãn có một nghiệm gần gốc tọa độ là nghiệm tối ưu, đây là nghiệm mà bài toán MCOP cần tìm ra

1.4.3.2 Bài toán tìm nghiệm tối ưu đa ràng buộc MCOP

Bài toán MCOP đã được chứng minh thuộc lớp bài toán NP-Complete [52]

Sự phức tạp của bài toán MC(O)P được chỉ ra ở một số yếu tố [22], [39]:

 Mạng: kiến trúc mạng (Power-law, Lattice ), kích thước mạng (N, E),

số tham số QoS (m) Khi N, E, m càng lớn thì độ phức tạp bài toán càng cao Bên cạnh đó tìm đường trên cấu trúc mạng mắt cáo (lattice)

là khó nhất trong các kiểu kiến trúc mạng

 Định lượng hoá các tham số QoS, nếu các thông số QoS được chọn

hợp lý và là số nguyên (trừ một thông số là số thực) thì bài toán sẽ đưa được về dạng không phải là NP-Complete

 Mối quan hệ tương quan giữa các thông số QoS, nếu các tham số QoS có quan hệ ―+” với nhau thì khả năng có thể giảm bớt N, E bằng

các kỹ thuật rút gọn mạng

 Các điều kiện ràng buộc, nếu ràng buộc rất lỏng hoặc rất chặt thì dễ

tìm nghiệm, bài toán trở nên rất khó khi điều kiện ràng buộc nằm trong các khoảng nhất định trong không gian tìm kiếm nghiệm

Bài toán MCOP đóng vai trò quan trọng trong định tuyến QoS vì:

 Nếu giải quyết được bài toán tổng quát này sẽ dễ dàng thích nghi với trường hợp riêng, chẳng hạn bài toán thỏa mãn m-1 tham số QoS và tối ưu theo một tham số QoS còn lại

 Bài toán MCOP còn có khả năng hướng đến QoS từ đầu cuối đến đầu cuối trong trường hợp liên mạng bởi vì khác với bài toán ràng buộc MCP là chỉ tìm ra đường thỏa mãn ràng buộc nhưng ràng buộc cho các dịch vụ trên mạng thường ám chỉ End-To-End chứ không phải của từng miền mạng (vấn đề này sẽ được đề cập rõ hơn trong chương

4 của luận án)

Do sự quan trọng của bài toán MCOP nên trong thời gian vừa qua có rất nhiều nghiên cứu xoay quanh vấn đề này [12], [30], [53], [60] Đặc trưng

của bài toán NP-Complete là không xác định được thời gian tìm nghiệm cho

nên khi có yêu cầu tìm đường đi các thiết bị mạng có thể mất rất nhiều thời

gian tính toán để tìm đường và khó có thể đáp ứng được khi mạng lớn, tần suất các yêu cầu định tuyến lớn và các ứng dụng đòi hỏi tính thời gian thực cao Do vậy, mục tiêu nghiên cứu trong việc giải bài toán MCOP hiện nay

là tìm ra các giải thuật có độ phức tạp không lớn có thể chấp nhận được

Một số hướng giải quyết bài toán MCOP và các giải pháp đã được đưa ra như trình bày dưới đây

1.4.3.2.1 Phương pháp tìm nghiệm gần đúng (xấp xỉ)

Khi sử dụng phương pháp này tức là đã có một thoả hiệp giữa chất lượng lời giải và thời gian tìm ra lời giải Ở đây, nghiệm tìm được không phải là nghiệm tối ưu nhưng sẽ đảm bảo thời gian tính toán

Việc tìm nghiệm xấp xỉ thường dựa trên phương pháp lấy tỷ lệ/ làm tròn số (scaling/ rounding) và phân hoạch (partitioning) Kỹ thuật lấy tỷ lệ/ làm tròn

số đơn giản hoá bài toán bằng cách làm tròn các thông số hoặc lấy tỷ lệ các thông số Trong bước khởi tạo người ta tìm ra giới hạn trên (UB) và giới hạn dưới (LB) của nghiệm, sử dụng bước lặp kiểm tra để điều chỉnh và tính UB

và LB Sau khi tính được LB, UB một thuật toán xấp xỉ được xây dựng với các thông số mới được lấy tỷ lệ và làm tròn từ các thông số ban đầu Tiếp theo, người ta sử dụng một giải thuật đa thức thời gian để tìm nghiệm của

bài toán mới này Kỹ thuật phân hoạch mở rộng từ phương pháp lấy tỷ lệ và làm tròn số trên đây và dùng kỹ thuật gọi là Interval partioning nhằm giảm

nhỏ  Một số giải pháp sử dụng kỹ thuật tìm nghiệm gần đúng cho bài toán MCOP như: [7], [8], [13], [18]

Phần lớn các giải pháp xấp xỉ áp dụng cho lớp bài toán RSP (dạng bài toán QoSR với 2 tham số, nghiệm tìm được yêu cầu thoả mãn 1 ràng buộc và tối

ưu theo tham số còn lại) Kuipers[15] đã so sánh một số giải pháp xấp xỉ với nhau cũng như với giải pháp tìm nghiệm chính xác (các tiêu chí đánh giá là

độ chính xác của nghiệm và tốc độ tính toán) Kết quả cho thấy khi tìm

nghiệm thoả mãn thì phương pháp này tỏ ra khá hiệu quả nhưng khi yêu cầu

nghiệm tối ưu thì sự phức tạp thuật toán cũng tăng dần và tỷ lệ lũy thừa với kích thước mạng

1.4.3.2.2 Phương pháp heuristic

Cách tiếp cận heuristic để giải quyết bài toán sử dụng những tri thức tích luỹ được của con người để xây dựng giải pháp chấp nhận được nhưng không nhất thiết là tối ưu cho bài toán Việc xác định thế nào là giải pháp chấp nhận được là một khái niệm không rõ ràng, tuy nhiên một cách tương đối người ta định nghĩa giải pháp chấp nhận được là giải pháp có lý (gần tối ưu)

và được thực hiện trong yêu cầu ràng buộc về thời gian, tài nguyên tính toán

và các ràng buộc định trước Các tri thức con người được vận dụng nhiều khi đưa ra các giải pháp rất hữu dụng nhưng đôi khi khó chứng minh một cách đầy đủ bằng toán học và thường được dùng khi các kỹ thuật tính toán chính thống không có hoặc không đảm bảo tính kinh tế và thực tế, các lời giải heuristic thường được kiểm nghiệm thông qua mô phỏng, thực nghiệm Một số kỹ thuật heuristic sử dụng trong QoSR bao gồm:

Sử dụng quy hoạch động (Dynamic programing) [52]: Quy hoạch động sử

dụng cách chia bài toán lớn thành một số bài toán con (cấu trúc con tối ưu) đơn giản hơn để giải, phương pháp giải này thực hiện theo quy trình ba bước: (1) Chia bài toán thành các bài toán con nhỏ hơn, (2) Giải các bài toán này một cách tối ưu bằng cách sử dụng đệ quy quy trình ba bước và (3) Sử dụng các kết quả tối ưu đó để xây dựng một lời giải tối ưu cho bài toán ban đầu Quy hoạch động được sử dụng trong bài toán MC(O)P ví dụ như trong

việc tổ chức các stack, heap, queue lưu thông tin về cấu trúc mạng tại bước

tính toán trung gian điển hình là việc sử dụng cấu trúc heap Fibonnaci

Kế thừa các giải thuật heuristic nổi tiếng: Các giải thuật nổi tiếng trên đồ thị

đã được sử dụng trong cấu trúc 1 tham số như [62]: giải thuật tìm kiếm theo chiều sâu (DFS), theo chiều rộng (BFS), cây tối thiểu (MST) đặc biệt là các giải thuật tìm đường ngắn nhất Dijkstra, Bellman-Ford Các giải thuật này được sử dụng trực tiếp hay có sửa đổi cho bài toán MC(O)P chẳng hạn giải thuật Dijkstra sử dụng trực tiếp để tìm đường trên tham số chung là sự kết

hợp các tham số QoS lại với nhau; sử dụng Dijkstra có sửa đổi dùng trong

k-shortest path sử dụng trong [30], [60] hay việc sử dụng DFS mở rộng cho

bài toán MCP [40]

Xét độ ưu tiên của các tham số QoS: Ở đây, kỹ thuật này xem xét mức độ

quan trọng khác nhau của các tham số QoS và từ đó sẽ ưu tiên đáp ứng yêu cầu của các tham số có mức ưu tiên cao trước sau đó đến tham số có mức ưu tiên thứ 2 và cuối cùng sẽ tìm ra đường tối ưu nhất Kỹ thuật này được dùng trong các giải pháp như SWP [71] hay WSP [75]

Đơn giản hoá cấu trúc: Một trong các yếu tố làm tăng độ phức tạp của thuật toán tìm đường là kích thước mạng (N, E, m) Do vậy, nếu bằng cách nào đó

loại bớt các giá trị này thì sẽ làm đơn giản bớt độ phức tạp của bài toán

Phép đơn giản hoá cấu trúc đơn giản nhất dựa trên tính chất min của tham số

băng thông trên các tuyến Băng thông của một đường đi bất kỳ quyết định bởi băng thông của chặng có băng thông bé nhất, do vậy, dưới yêu cầu ràng buộc về băng thông của một ứng dụng cụ thể nào đó về QoS ta có thể loại đi các tuyến có băng thông bé hơn giới hạn này [55]

Giảm không gian tìm kiếm nghiệm: Các giải thuật Dijkstra hay Belman-Ford

có thể tìm ra đường đi ngắn nhất trong không gian một chiều Đối với bài

toán 2 tham số QoS trở lên không gian tìm kiếm mở rộng thành 2 hay m chiều (m là số tham số QoS) và các giải thuật trên không thể sử dụng trực

tiếp được Sử dụng thuật toán vét cạn là cách đơn giản nhất để mò được các nghiệm tuy nhiên việc này tốn nhiều thời gian do phải tìm cả trong các vùng

ngoài ràng buộc Mục tiêu của kỹ thuật giảm không gian tìm kiếm nghiệm là

làm sao càng giới hạn được không gian "mò" nghiệm càng sát với ràng buộc càng tốt Thông thường, người ta thường sử dụng phương pháp kết hợp các

tham số QoS lại thành một tham số đơn (hay sự vô hướng hoá) (R n 

P l

q

2

2 1

(

/ 1

Khi q → ∞ thì đường cong sẽ chính là phần không gian giới hạn bởi Li, biểu thức (1.6) chuyển thành:

l L

l

m

m P P

P P

l max , , ,

2 2

1

1

(1.7)

Ý nghĩa của biểu thức này minh họa như trong hình 1-10, độ dài đường đi P

sẽ được tính bằng độ dài đường đi tính theo tham số QoS thứ i (i  1 m) có

li(P)/Li lớn nhất

Hình 1-10: Độ dài l(P) khi q →∞

Như vậy, với mục tiêu tìm đường tối ưu m tham số thay vì việc tìm đường

tối ưu đa ràng buộc ban đầu người ta tìm P sao cho l(P) tính theo biểu thức trên là thấp nhất, nghĩa là tìm đường sao cho l(P) min

Với sự kết hợp này người ta đảm bảo sẽ tìm ra tất cả các đường thoả mãn ràng buộc trước khi tìm kiếm trong không gian thừa

Sự kết hợp phi tuyến các tham số ở đây nảy sinh vấn đề là các đoạn nằm trên đường ngắn nhất l(P) không nhất thiết là đường ngắn nhất, do vậy,

khác với việc tìm đường ngắn nhất với một tham số, khi tìm đường qua một nút n nào đó thay vì chỉ chọn tuyến ngắn nhất như trong Dijkstra người ta

phải lưu thông tin về đường ngắn nhất, ngắn thứ 2 ngắn thứ k để đảm bảo

tìm ra đường tối ưu trên toàn cục Đây chính là yêu cầu phải sử dụng thuật

toán k-đường ngắn nhất (k-shortest path) kèm theo khi sử dụng kết hợp phi

tuyến các tham số [56]

Kỹ thuật đường nổi trội (dominated): Phép đơn giản hoá cấu trúc khác được

dùng đó là kỹ thuật phân biệt sự nổi trội của một đường này so với một

đường khác Giả sử tồn tại 2 đường đi giữa s và một số nút trung gian là P 1

và P2 Nếu li(P1) < li(P2) với mọi i (1≤ i ≤m) thì bất kỳ đường đi từ nguồn s đến đích d nào sử dụng P 1 sẽ ngắn hơn đường đi từ nguồn đến đích đó sử

dụng P2, khi đó người ta nói P1 nổi trội so với P2 P2 sẽ không bao giờ là một phần thuộc đường đi ngắn nhất cần tìm, vậy sẽ không cần lưu P 2 trong

các bước trung gian tính toán vì P 2 sẽ không được chọn trong bước tiếp theo Khi sử dụng kỹ thuật k-đường ngắn nhất có thể gặp phải trường hợp bị

lặp (loop) do bản chất của thuật toán này [56], do vậy, việc sử dụng kết hợp

kỹ thuật đường nổi trội kết hợp với k-đường ngắn nhất sẽ giảm số k đường

ngắn nhất phải lưu tại mỗi nút trung gian và tránh được lặp Với số tham số QoS càng lớn thì hiệu quả của kỹ thuật này có xu hướng càng giảm do thường các tham số QoS không tỷ lệ với nhau mà đối nghịch làm cho ít xảy

ra các đường nổi trội hơn các đường khác

Tính toán trước một số thông tin trợ giúp quyết định: Trong việc tìm đường,

tại mỗi nút trung gian giải thuật cần phải đưa ra các quyết định về việc đi tiếp Thông thường trong các giải thuật tìm kiếm đã có quy tắc chung để duyệt không bị bỏ sót Tuy nhiên, khả năng về việc đưa ra các quyết định tối

ưu hay không thì các thuật toán chưa chỉ ra được Kỹ thuật tính toán trước (look-ahead) sẽ tính toán một số thông tin sơ bộ trước để giúp hỗ trợ việc quyết định có tính tối ưu hơn Chẳng hạn [30], [55] tính toán trước các thông tin về các đường đi ngắn nhất từ đích ngược về tất cả các nút trong

mạng theo từng tham số QoS, trong bước tìm đường chính thức từ nguồn s

khi đi qua các nút trung gian sẽ sử dụng các thông tin tính trước này để loại

đi các nút, tuyến không phù hợp cũng như chọn được các tuyến ngắn nhất tiếp theo

Một số kỹ thuật heuristic khác như G.Cheng [38] tăng hiệu quả tìm kiếm nghiệm bằng cách chuyển bài toán từ một nguồn, một đích sang bài toán một nguồn nhiều đích bằng cách mở rộng các đích mới từ các đỉnh lân cận với đích cần tìm Steenkiste [68] nhận thấy khi sử dụng thuật toán lập lịch

phát gói tương tự WFQ thì các tham số QoS: trễ, biến động trễ và kích thước bộ đệm sẽ không hoàn toàn độc lập nữa mà là một hàm phụ thuộc vào

tham số băng thông Do vậy, bài toán với nhiều tham số QoS chuyển về dạng một tham số liên quan đến băng thông và do vậy có thể tìm lời giải theo đa thức thời gian