Tiến Sĩ Nghiên cứu đề xuất một số cơ chế tăng cường khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng thông tin

Luận án tiến sĩ năm 2013
Đề tài: Nghiên cứu đề xuất một số cơ chế tăng cường khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng thông tin chuyển mạch gói


iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
LỜI CAM ĐOAN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC KÝ HIỆU xii
DANH MỤC HÌNH VÈ xvi
DANH MỤC BẢNG BIÊU xviii
MỜ ĐẨU 1
CHƯƠNG 1 7
VÁN ĐỀ ĐÀM BẢO CHÁT LƯỢNG DỊCH vụ TRONG MẠNG IP 7
1.1 Mạng IP và chất lượng dịch vụ 7
1.1.1. Mạng IP 7
1.1.2. Chắt lượng dịch vụ trên mạng IP 9
1.1.3. Vấn đề đảm bảo QoS cho các ứne dụng 10
1.1.4. Các mô hình đảm bảo QoS trong mạng IP 12
1.1.5. Các cơ chế giám sát, điều khiển QoS trong mạng IP 13
1.2 Cơ chế định trình điều khiến QoS 14
1.2.1. Các yêu cầu chính đối với bộ định trình 15
1.2.2. Phân loại các bộ định trình 16
1.2.3. Các cơ chế định trình theo nhàn thời eian 17
1.3 Cơ chế giám sát QoS 28
1.3.1. Yêu cầu và phân loại giám sát 28
1.3.2. Tham số giám sát 29
1.3.3. Giám sát thời gian trề 30
1.3.4. Giám sát tỷ lệ mất gói 31
1.3.5. Giám sát băng thông 31
1.3.6. Giám sát lưu lượng 33
1.4 Kết luận chương 1 33
CHƯƠNG 2 35
Cơ CHÉ GIÁM SÁT CHÁT LƯỢNG DỊCH vụ 35
2.1. Nhu cầu giám sát QoS 35
2.2. Các nghiên cứu liên quan 37
2.2.1. Cơ chế tổnq quát 37
2.2.2. Giám sát tronq một vùng mạng 38
2.2.3. Giám sát giữa các vùng mạng 38
2.2.4. Giám sát nhiều vùng mạng 39
2.2.5. Nhặn xét 39
2.3. Mô hình giám sát QoSM 39
2.4. Phương pháp giám sát, hạn chế tốc độ 43
2.4.1. Phương pháp giám sát, hạn chế tốc độ trên một nút mạng 43
2.4.2. Phương pháp giám sát phối hợp hai nút mạng QoSMon 49
2.4.3. Sử dụng kết quả giám sát 57
2.5. Ket quá mô phóng 57
2.5.1. Các bước thực hiện mô phỏng trong NS-2 57
2.5.2. Mô phòng định trình trong NS-2 58
2.5.3. Mô phòng QoSM 59
2.5.4. Kịch bản mô phóng 59
2.5.5. Ket quả mô phòng 60
2.6. Ket luận chương 2 65
CHƯƠNG 3 67
Cơ CHẾ ĐẢM BẢO CHÁT LƯỢNG DỊCH vụ DựA TRÊN CÁC THAM SỔ
ĐƯỢC GIÁM SÁT 67
3.1. Yêu cầu đảm báo QoS dựa trên các tham số được giám sát 67
3.2. Mô hình cơ chế MQCM 68
3.2.1. Phát biếu bài toán 68
3.2.2. Khối Agent 70
3.2.3. Khối giám sát MonQoS 70
3.2.4. Khối giám sát và hạn chế tốc độ tối đa (RL) 72
3.2.5. Bộ điều khiến MPWPS 72
3.2.6. Hàm thời gian ảo 73
3.2.7. Gán nhăn thời gian cho gói tin 73
3.2.8. Hiệu chỉnh trọng số bù thông lượng 75
V
3.2.9. Lựa chọn giá trị hiệu chinh trọng số bù thông lượng 80
3.3. Ket quả mô phóng 85
3.3.1. Phương pháp mô phỏng 85
3.3.2. Kịch bản 1: nguồn lưu lượng không đồi 86
3.3.3. Ket quả mô phỏng trong trường hợp nguồn lưu lượng không đối 88
3.3.4. Kịch bản 2: Mô phóng với các neuồn lưu lượng biến đồi 96
3.3.5. Ket quả mô phỏng trong trường hợp nguồn lưu lượne biến đồi 97
3.3.6. Kịch bản 3: Mô phóng với nguồn lưu lượng khác 99
3.3.7. Ket quả mô phỏng với nguồn lưu lượng khác 100
3.4. Kết luận chương 3 102
CHƯƠNG 4 104
ỨNG DỤNG Cơ CHẾ GIÁM SÁT, ĐẢM BÀO CHẤT LƯỢNG DỊCH vụ DựA TRÊN CÁC THAM SÓ ĐƯỢC GIAM SÁT VÀO MÔ HÌNH QoS DOWNLOAD
GATEWAY 104
4.1. Các nghiên cứu liên quan 104
4.1.1. Mô hình best-effort cơ bản 105
4.1.2. Mô hình Diffserv cơ bán 105
4.1.3. Mô hình WSPT 106
4.1.4. Nhận xét 107
4.2. Mô hình QoS Download Gateway 108
4.2.1. Xử lý các yêu cầu tải file 108
4.2.2. Xử lý các phiên tải file 110
4.3. Vấn đề mô phỏng mô hình QoS Download Gateway 111
4.4. Ket luận chương 4 112
KẾT LUẬN 113
Nhừng kết quả chính của luận án 113
Hướng phát triền tiếp của luận án 115
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÀ ĐƯỢC CÔNG BÓ 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO 117
1


MỞ ĐẦU
Mạng chuyền mạch gói sừ dụng giao thức Internet (mạng IP) cho phép cung cấp các dịch vụ đa dạng (thoại, truyền dữ liệu, đa phương tiện, .) trên cùne một hạ tầng mạne hội tụ toàn IP (All-IP), sử dụng các kết nối có dây, không dây với các công nghệ khác nhau (Ethernet, xDSL, FTTx, Wifi, 3G Ạ Đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS - Quality of Service) trong mạng IP liên quan đén [7]: 1) Các cơ chế: Chấp nhặn kết nối, định dạng lưu lượng đầu vào (sharỊỉingX định trình (scheduling), điều khiên luồng tránh tấc nghẽn, quán lý bộ đệm; 2) Các lớp: Lớp vật lý, lớp IP, lớp truyền tải, lớp ứng dụng; 3) Các thiết bị trung gian, thiốt bị đầu cuối. Yêu cầu QoS cùa các dịch vụ trên mạng IP gồm các tham số như thông lượng, trễ, biến thiên trễ, tỳ lệ mắt gói tin. Mạrm IP ban đầu được thiết kế đề truyền tải lưu lượng các dịch vụ không yêu cầu cao về QoS, nhưrm hiện nay được sử dụng đế truyền tải lưu lượng của các dịch vụ trong đó có dịch vụ yêu cầu cao về QoS. Do sử dụng các công nghệ khác nhau nên việc đảm bảo QoS toàn trình trên mạng IP là khó khăn và vẫn đang tiếp tục được nghicn cứu.
Trontỉ số các yếu tố quan trọng ảnh hườne đến QoS, việc lựa chọn các gói tin đến nút mạng sẳp xếp vào hàng đợi và thời điểm đưa lần lượt các gói tin đó ra khòi nút mạng đế chuyến tiếp đi đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Bộ định trình tại mồi nút mạng có chức năng thực hiện điều đó và cần được thiết kế đe đạt được sự thòa hiệp giừa các đặc tính: Hiệu quả, công bang trorm cấp phát tài nguyên; mềm dẻo trong việc đảm bảo QoS cho các ứng dụne có nhu cầu khác nhau và đơn giản dễ thực hiện. Do tính biến thiên khó lường trước của lưu lượng và khà năng bùng phát dừ liệu của các ứng dụne trong mạng IP hiện nay, việc đảm bảo đồng thời các đặc tính nêu trcn vẫn còn là vắn đề nan giải, đòi hòi nhữne giải pháp mới xem xét đến mối quan hệ mặt thiết của nhiều yếu tố tác động khác nhau.
Mặt khác, đe đảm bảo được QoS, cần biết được QoS đang ở mức độ nào, do đó cần giám sát, ước lượng mức độ đám bảo QoS (các tham số QoS), từ đó thực hiện điều chinh khả năng đáp ứng QoS của các nút mạng và của cả mạng IP.
2
1. Tình hình nghiên cứu trong nước, ngoài nước và đặt vấn đề nghiên cún
Trons mười năm trở lại đây, lĩnh vực nghiên cứu về đám bảo QoS trong mạng IP đã phát triển mạnh mẽ và sôi động. Ở trong nước, nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào lớp ứng dụng, truyền tài, tối ưu định tuyến trong mạng All-IP. Công trình [2] phát triển một kiến trúc middleware tươne thích QoS theo ứng dụng (AWAQoS) trong môi trường đa phương tiện phân tán, có khả năng tự thích nghi với các điều kiện tài nguyên của mạng và hệ thống. Kiến trúc AWAQoS chạy trcn mức ứng dụng, điều khiển thích nghi QoS cho các ứng dụng chạy đồng thời trên một hệ thống đầu cuối trong môi trường mạng hỗn hợp. Công trình [3] nghicn cứu cài thiện hiệu năng của bài toán tìm đường và tìm giải pháp định tuyến duy trì tính ồn định của chất lượne mạng và hướne đcn việc đàm bảo QoS toàn trình.
Ở ngoài nước, nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào cơ chế định trình tăng khả năng quản lý theo luồng và giảm độ phức tạp, bù QoS, giám sát QoS trong mạng All-IP như: điều khien ỌoS theo luồng tin (IntServ) [12], điều khiển ỌoS theo lớp dịch vụ (DiffServ) [45]; các mô hình điều khiển nhằm mục đích giảm độ phức tạp so với IntServ và tăng khả năng quàn lý theo luồng so với DiffServ như TSFQ [60], QFQ [14], Wi^Q-M [40], RFQ [25]. Các công trình [21], [27], [29] nghiên cứu về cơ chế quản lý bộ đệm. Các công trình [10], [18], [23], [26], [29], [30], [36], [37], [40], [60] nghiên cứu về cơ chế định trình (theo lớp, theo luồng, phân cấp, .). Các công trình [15], [21], [35] nghiên cứu về điều khiến luồng tránh tắc nghẽn (trons các giao thức TCP, UDP, TCP-like, .). Các công trình [26], [48] nghiên cứu về quán lý và bù QoS cho các luồng tin được phục hồi sau lỗi. Các công trình [8],
[11] , [42], [44], [49], [50] nghiên cứu về giám sát QoS, QoE, SLA. Các công trình [10], [18], [23], [30], [41], [46], [48], [49], [60] nghiên cứu về đàm báo ỌoS trone xu hướng hội tụ mạng, dịch vụ.
Ket quả của nhừng công trình nghiên cứu điền hình về ỌoS nêu trên cho thấy, đàm báo chất lượne dịch vụ liên quan mật thiết đcn việc phân chia tài nguyên mạng (băng thông, bộ đệm). Tại mỗi nút mạng, việc phân chia băng thông, bộ đệm được thực hiện bằng bộ định trình (hay bộ định trình lưu lượng - traffic scheduler) sử
3
dụng cơ chc định trình (scheduling mechanism). Khi các gói tin từ các luồng tin (nghĩa là từ các ứng dụng của người dùng) tới nút mạng, chúng được sắp xếp vào các bộ đệm (tương ứng với các hàng đợi). Tại mồi thời điềm cần chuyển một gói tin ra đầu ra của nút mạng, bộ định trình có nhiệm vụ chọn một trong số các gói tin đe xử lý và chuyền tiếp đi.
Chắt lượng dịch vụ toàn trình của mồi ứng dụne phụ thuộc vào chắt lượne dịch vụ tại mồi nút mạng, và phụ thuộc vào việc chọn lựa gói tin của bộ định trình, thời gian gói tin bị trề trong bộ đệm, khá năng mắt gói tin do tràn bộ đệm. Tới nay đà có nhiều công trình nghicn cứu về bộ định trình và cho nhừng kết quả khả thi trong việc tăng cường khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP, điển hình là bộ định trình WF2Q+ [10] và các bộ định trình cải tiến sau này như TSFQ [60]. QFQ [14], RFQ [25], [36], [37].
Tuy nhiên, qua khảo sát các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy còn tồn tại nhừng vấn đề cụ thế đặt ra trong thực tế như sau:
- Khi bộ định trình chọn lựa gói tin đe chuyển ra, nếu như biết được trạng thái QoS hiện thời (giá trị các tham số QoS như trề, thông lượng, tý lệ mất gói) của luồng tin tương ứng thì việc điều khiển chọn lựa các gói tin giữa các luồng sẽ giúp tăng cường khả năng đảm bảo QoS cho luồng tin. Trong thực tế, các ISP cần đảm bảo QoS cho các nhóm người dùng có nhu cầu riêng về QoS. Cho đến nay vẫn chưa có bộ định trình nào cho phép biết được trạng thái QoS hiện thời và liệu mức QoS hiện thời có đáp ứng nhu cầu của nhóm người dùng hay chưa. Vì vậy vấn đề đặt ra là cằn giám sát đe ước lượng được giá trị các tham so QoS, từ đó điều khiển bộ định trình đe đạt mức QoS phù hợp hơn.
- Một vắn đề khác cũng chưa được giải quyết thỏa đảng trong các bộ định trình tới nay. Giả sử một người dùng đăng ký gói dịch vụ có tốc độ 128 kbps, ứng dụng của người dùng chi cần yêu cầu tối đa là 128 kbps. Tuy nhiên, do đặc tính ngẫu nhiên, luồng tin đen nút mạng có thể được phục vụ với tốc độ > 128 kbps và do đặc tính bộ định trình hiện nay, luồng tin có thế được phục vụ với tốc độ > 128 kbps. QoS của luồng tin này sẽ tốt hơn mức cần thiết, trong khi QoS của các luồng



117
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt:
[1] Nguyễn Thúy Anh, Hoàng Minh, Nguyễn Ngọc San (2008), ước lượng tham so mô hình hệ động học, NXB Khoa học Kỹ thuật.
[2] Vũ Hoàng Hiếu (2008), Mô hình tương thích OoS theo ứng dụng trong môi Irtrờng đa phương tiện phân tán, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật.
[3] Nguyễn Trang Kiên (2011), 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 ựix-mobile-convergence network), Luận án Tiến sĩ kỹ thuật.
[4] Phạm Văn Thương (2011), “Mô hình hệ thống giám sát chất lượng dịch vụ QoSM”, Tạp chí Công nghệ thông tin và truyền thòng Kỳ 1, số 12, tr. 40-46.
[5] Phạm Văn Thươns, Hoàng Đăng Hài (2011), “Cơ chế định trinh giám sát và bù chất lượng dịch vụ”, Tạp chi Khoa học và Công nghệ, số 1A/49, tr. 87-100.
[6] Phạm Văn Thương, Hoàng Đăng Hái (2011), “Mô hình QoS Download Gateway sử dụng cơ chế PWPS”, Tạp chi Khoa học công nghệ Đại học Công nghiệp, số 7, tr. 9-14.
[7] Phạm Văn Thưcmg, Phạm Quans Hưng (2006), “Một số vấn đề về đàm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng IP”, Tạp chí Bưu chính Viễn thông & Công nghệ thông tin, tháng 5/2006, tr.23-24.
Tài liệu tiếng Anh:
[8] A. Belghith, B. Cousin, s. Lahoud, s. Said (2011), Proposal for the Configuration of multi-domain Network Monitoring Architecture, ICOIN Malaysia, p. 7-12.
[9] J.C.R. Bennett. H. Zhang (1996), “WF"Q: Worst-case Fair Weighted Fair Queueing", In Proc. of IEEE INFOCOM 1996, p. 120-128.
[10] J.C.R. Bennelt, H. Zhang (1998), “WF2Q+: Hierarchical packet fair queueing algorithms”. III IEEE/ACM Trans. Networking, vol.6, p. 175-185.
118
[11] M. Beonil, R. Antoninil, p. A. Aranda Gutierrez, I. Miloucheva (2004), “Dynamic monitoring architecture for spatio-temporal QoS and traffic mapping in inter-domain environment”, IPS, Budapest, Hungary, p. 175-182.
[12] R. Braden, D. Clark, s. Shenker (1994), RFC 1633: Integrated Services in the Internet Architecture.
[13] R. L. Carter and M. E. Crovella (1996), Measuring Bottleneck Link Speed in Packet-Switched Networks, Tech. Report BƯ-CS-96-007, Boston University.
[14] F. Checconi, P.Valente, L.Rizzo (2012), “QFQ: Efficient Packet Scheduling with Tight Bandwidth Distribution Gurantees”, Networking, IEEE/ACM Transactions on, Vol. pp. Issue 99, page 1.
[15] D.M. Chiu, R. Jain (1989), “Analysis of the increase and decrease algorithms for congestion avoidance in computer networks”, Computer networks and ISDN System, Vol. 17, pi -14.
[16] D.M. Chiu, R. Jain, w. R. Hawe (1984), A Quantitative Measure of Fairness and Discrimination for Resource Allocation in Shared Systems, Tech. Report, Digital Equipment Corporation, DEC-TR-301, Hudson, MA 01749.
[17] c. Lewis, S. Pickavance (2006), Implementing Quality of Service Over Cisco MPLS VPNs, Cisco Press, California, USA.
[18] D.Comer, M.Martynow (2008), “Design and Analysis of Hybrid Packet Schedulers”, IEEE INFOCOM, 10.1109/INFOCOM.2008.142, p.897 - 905.
[19] Thierno Diallo (2011), EtherSAM: The new standard in Ethernet service testing, Exfo Canada.
[20] K. Fall, K. Varadhan (2008), The ns Manual, The VINT Project.
[21] S. Floyd, V.Jacobson (1993), “Random Early Detection Gateways for Congestion Avoidance”, IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol.l, No. 14, p.397-413.
[22] G. F. Franklin, J. D. Powell, M. L. Workman (1998), Digital Control of Dynamic Systems, Addison-Wesley.