Tổng quan luận án

Sự phát triển của công nghệ viễn thông và dịch vụ băng rộng đã dẫn đến sự gia tăng lưu lượng dữ liệu trên toàn cầu. Theo các báo cáo và dự báo của Cisco [27] cùng các nghiên cứu liên quan [55], lưu lượng dữ liệu mạng được dự báo vượt mức 1,2 zettabyte vào năm 2017 và đạt 2,1 zettabyte vào năm 2019 (tương đương khoảng 168,5 exabyte/tháng), với tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm (CAGR) khoảng 23%. Trong bối cảnh xuất hiện nhiều loại hình dịch vụ mới đòi hỏi yêu cầu khắt khe về băng thông và độ trễ như truyền hình siêu độ phân giải UHDTV (4K, 8K), video theo yêu cầu (VoD), hội nghị truyền hình và các ứng dụng tương tác thời gian thực, việc đảm bảo chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) trở thành một bài toán then chốt. Việc lựa chọn tuyến truyền từ nguồn dữ liệu đến đích đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn chất lượng mạng đặt ra yêu cầu phải hoàn thiện các giải thuật định tuyến.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra trong luận án là sự hạn chế của các giải thuật định tuyến truyền thống sử dụng thông tin toàn cục (TTTC). Các giải thuật TTTC đòi hỏi việc duy trì và cập nhật liên tục bảng trạng thái toàn mạng, gây quá tải năng lực tính toán và bộ nhớ tại các nút mạng, tạo ra lượng lưu lượng điều khiển lớn và dễ dẫn đến quyết định định tuyến sai lệch khi thông tin cập nhật bị trễ. Trong khi đó, các giải thuật định tuyến đảm bảo QoS sử dụng thông tin nội bộ (TTNB) dù đã giảm tải trao đổi bản tin toàn mạng nhưng vẫn còn tồn tại các nhược điểm: hiện tượng phân mảnh luồng gây nghẽn cục bộ tại nút đích (như giải thuật PSR), sự phức tạp trong quản lý đồng thời hai tập tuyến truyền ngắn nhất và thay thế (như giải thuật CBR), trễ thu thập thông số toàn tuyến (như giải thuật LDCR), cũng như việc thiếu vắng các công cụ định lượng chính xác độ cân bằng tải băng thông toàn cục.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm ba nội dung chính:

  1. Đề xuất mô hình, giải thuật định tuyến đảm bảo QoS mới, có khả năng ứng dụng trong mạng viễn thông phát triển mạnh mẽ hiện nay trên cơ sở nghiên cứu các bài báo, các đề xuất và các công trình liên quan.
  2. Đề xuất các giải pháp để nâng cao hiệu năng các giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB.
  3. Đề xuất hệ số đánh giá mạng, đánh giá hiệu năng các giải pháp định tuyến trên cơ sở các nghiên cứu về QoS và định tuyến đảm bảo QoS.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là chất lượng dịch vụ (QoS) trên mạng viễn thông, cơ chế định tuyến đảm bảo QoS, các giải thuật định tuyến sử dụng thông tin toàn cục và thông tin nội bộ, cùng các phương pháp và tiêu chí đánh giá hiệu năng mạng dựa trên việc tính toán tham số QoS.

Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào không gian mạng lõi viễn thông (backbone) của các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP), cấu trúc mạng phân tầng (mạng truy nhập, mạng gom, mạng lõi) với các liên kết truyền dẫn song hướng đồng tốc độ. Về mặt thời gian và bối cảnh công nghệ, luận án tập trung vào giai đoạn chuyển dịch lên mạng thế hệ mới gắn liền với các định hướng và dự án nghiên cứu lớn trên thế giới như FIND (Mỹ), NICT, AKARI (Nhật Bản), GENI (Mỹ), FP7 (Châu Âu).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tiến hành khảo cứu hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến chất lượng dịch vụ và kỹ thuật định tuyến viễn thông:

Tình hình nghiên cứu trong nước

  • Nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ trên mạng tùy biến di động (MANET) và mạng hội tụ di động – cố định (FMC) được thể hiện qua các công trình [2], [4].
  • Nghiên cứu định tuyến Best-Effort và quá trình định tuyến không có yêu cầu QoS được mô tả tại [1].
  • Giải pháp ứng dụng trí tuệ nhân tạo nhằm thỏa mãn yêu cầu đảm bảo QoS khi chuyển tải thông tin được đề xuất tại [6].
  • Các giải thuật định tuyến giải quyết bài toán định tuyến thông tin tổng quát trên mạng được công bố tại [2], [4], [5].
  • Nghiên cứu phát triển và đảm bảo chất lượng mạng thế hệ mới, gợi mở định hướng ứng dụng cho mạng viễn thông Việt Nam tại [95].

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

  • Cơ chế định tuyến QoS và OSPF mở rộng: Các công trình [14], [39], [40], [51], [107] nghiên cứu tối ưu hóa việc chọn đường trên mạng viễn thông.
  • Các giải thuật định tuyến dùng thông tin toàn cục (TTTC):
    • Giải thuật bước nhảy tối thiểu (Minimum Hop Algorithm - MHA) sử dụng thuật toán Dijkstra [50] được khảo sát tại [70].
    • Giải thuật định tuyến chọn đường ngắn nhất rộng nhất (Widest Shortest Path - WSP) sử dụng thuật toán Bellman-Ford [25] và giải thuật chọn đường rộng nhất ngắn nhất (Shortest Widest Path - SWP) được đề xuất tại [39], [67].
    • Giải thuật dùng tuyến truyền khoảng cách ngắn nhất (Shortest-Distance Path - SDP) được công bố tại [67].
    • Giải thuật định tuyến chống giao thoa tối thiểu (Minimum Interference Routing Algorithm - MIRA) tại [56].
    • Giải thuật định tuyến dung lượng theo trọng số trễ cực đại (Maximum Delay-Weighted Capacity Routing Algorithm - MDWCRA) sử dụng thuật toán Dijkstra tại [106].
    • Giải thuật định tuyến đa tiêu chuẩn tìm kiếm theo chiều sâu (Depth-First Search - DFS) nhằm giảm tỷ lệ quyết định sai (EDR) tại [29].
  • Định tuyến trên các môi trường mạng đặc thù: Nghiên cứu QoS trên mạng nội vùng, liên vùng, WAN-MAN và MANET tại [17], [86], [104]; định tuyến QoS trong điều kiện thông tin không chính xác hoặc không xác định tại [13], [28], [61], [63], [69], [102].
  • Các giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ (TTNB):
    • Giải thuật PSR (Proportional Sticky Routing) của S. Nelakuditi và Z.-L. Zhang [82] phân bổ luồng dữ liệu theo tỷ lệ thống kê giữa tập tuyến truyền ngắn nhất ($R_{\min}$) và tập tuyến truyền thay thế ($R_{\text{alt}}$).
    • Giải thuật CBR (Localized Credit Based Routing) [75] sử dụng hệ thống tính điểm thưởng/phạt ($P.\text{credits}$) và tham số hệ thống $\Phi$ để quản lý hai tập tuyến truyền $R_{\min}$ và $R_{\text{alt}}$.
    • Giải thuật LDCR (Localized Delay-Constrained QoS Routing) tại [16], [36] sử dụng trễ đầu cuối - đầu cuối trung bình làm ràng buộc chọn đường.
    • Giải thuật LDR (Localized Distributed Routing) tại [37] kết hợp thông tin nội bộ với cơ chế định tuyến phân tán qua hai pha xử lý và trao đổi bản tin điều khiển.
    • Các nghiên cứu khác về định tuyến TTNB tại [35], [36], [81], [83], [84], [91], [96], [97], [108].
  • Công cụ và chỉ số đánh giá cân bằng tải: Các công trình nghiên cứu xây dựng chỉ số đánh giá mạng tại [7], [15], [23], [49], [52], [54], [105], trong đó có chỉ số công bằng Jain [72].

Vị trí và khoảng trống nghiên cứu của luận án

Dựa trên việc tổng hợp các hạn chế của các giải thuật TTTC (chi phí duy trì trạng thái toàn mạng cao, nghẽn truyền thông điều khiển) và các giải thuật TTNB hiện tại (phân mảnh luồng gây trễ ghép nối ở đích, quản lý phức tạp nhiều tập tuyến truyền tĩnh, xử lý trễ khi thu thập thông số QoS), luận án định vị hướng nghiên cứu vào việc:

  • Thiết lập giải thuật định tuyến TTNB mới áp dụng tiêu chuẩn so sánh tuần tự trực tiếp các thông số QoS.
  • Đề xuất giải pháp tập tuyến truyền linh động nhằm thay thế việc sử dụng đồng thời hai tập tuyến truyền tĩnh song song.
  • Ứng dụng mô hình định tuyến phân tán có cơ chế điều khiển linh hoạt trên nền thông tin nội bộ để giảm tải bộ nhớ và tính toán tại các nút mạng.
  • Xây dựng hệ số lượng hóa cân bằng tải băng thông DBM (Differential Bandwidth Metric) làm công cụ đánh giá hiệu năng mạng và giải thuật định tuyến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

Luận án tiếp cận khái niệm QoS theo định nghĩa của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T) [45] và Cisco [26], trong đó QoS là tập hợp các đặc tính của một dịch vụ viễn thông đáp ứng các yêu cầu được quy định trước của người dùng (băng thông, độ trễ, biến thiên trễ, tỷ lệ mất gói).

Mô hình mạng được biểu diễn dưới dạng đồ thị $G(N, L)$, trong đó $N$ là tập hợp các nút mạng và $L$ là tập hợp các đường liên kết. Tuyến truyền $P$ gồm $s$ liên kết được ký hiệu là $P = (n_1, n_2, \dots, n_{s+1})$. Các hàm tính toán thông số QoS trên tuyến truyền bao gồm:

  • Hàm loại cộng (áp dụng cho độ trễ, số bước nhảy): $$u(P) = u(n_1, n_2) + u(n_2, n_3) + \dots + u(n_s, n_{s+1})$$
  • Hàm loại lồi / nút thắt cổ chai (áp dụng cho băng thông): $$u(P) = \max [u(n_1, n_2), u(n_2, n_3), \dots, u(n_s, n_{s+1})]$$ hoặc giá trị cực tiểu tùy thuộc vào chỉ tiêu khảo sát.

Để kiểm tra điều kiện ràng buộc QoS của luồng tin $f$ đối với tuyến truyền $P$, luận án thiết lập các thủ tục so sánh tuần tự trực tiếp:

  • Thủ tục so sánh 2 thông số (Băng thông $Bw$ và Độ trễ $Delay$):
PROCEDURE Compare(p, f)
    If p.Delay <= f.Delay Then
        If p.Bw >= f.Bw Then
            p is chosen
        Else
            p is discarded
        Endif
    Else
        p is discarded
    Endif
END PROCEDURE
  • Thủ tục so sánh 3 thông số (Băng thông $Bw$, Độ trễ $Delay$ và Tỷ lệ mất gói $PER$):
PROCEDURE Compare3(p, f)
    If p.PER <= f.PER Then
        If p.Delay <= f.Delay Then
            If p.Bw >= f.Bw Then
                p is chosen
            Else
                p is discarded
            Endif
        Else
            p is discarded
        Endif
    Else
        p is discarded
    Endif
END PROCEDURE

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết giải tích và phương pháp mô phỏng thực nghiệm định lượng:

  • Xây dựng mô hình toán học: Thiết lập công thức tính hệ số cân bằng tải băng thông DBM (Differential Bandwidth Metric) dựa trên ma trận băng thông khả dụng $M^d$, độ sâu $d$, số bước nhảy tối thiểu $\text{minhop}$ (tính theo thuật toán Dijkstra [50]) và hệ số ưu tiên nút mạng $\alpha_j$.
  • Phương pháp mô phỏng mạng:
    • Sử dụng phần mềm mô phỏng mã nguồn mở hướng đối tượng OMNeT++ (phiên bản 4.5) [22] để xây dựng mô hình nút mạng, hàng đợi FIFO, luồng lưu lượng và triển khai các giải thuật định tuyến. Dữ liệu thu thập từ các biến dạng vector, scalar và histogram.
    • Sử dụng phần mềm thương mại OPNET (phiên bản RiverBed 17.5) [64] để mô phỏng, phân tích độ trễ tuyến truyền toàn mạng và tại từng nút mạng.

Nguồn tư liệu và mô hình tô-pô mạng

Dữ liệu chuẩn hóa yêu cầu chất lượng được trích xuất từ các khuyến nghị của ITU-T: ITU-T Y.154x [44] về phân loại lớp QoS mạng IP và ITU-T G.1010 [46] về chỉ tiêu chất lượng thoại/video.

Mô hình thực nghiệm mô phỏng dựa trên cấu trúc tô-pô mạng lõi ISP thực tế:

  • ISP1: 32 nút mạng, độ dài tuyến truyền trung bình 3,137 bước nhảy (sử dụng trong các nghiên cứu [35], [91]).
  • ISP2: 18 nút mạng, độ dài tuyến truyền trung bình 2,36 bước nhảy (sử dụng trong các nghiên cứu [19], [20], [40]).
  • ISP3: 9 nút mạng, độ dài tuyến truyền trung bình 1,81 bước nhảy (sử dụng trong công bố [A.10] của tác giả).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng viễn thông

Chương này phân tích các yêu cầu kỹ thuật về QoS trong bối cảnh bùng nổ lưu lượng dữ liệu và sự phát triển của các dịch vụ đa phương tiện. Nội dung chương hệ thống hóa phân loại lưu lượng và các tiêu chuẩn QoS tương ứng theo ITU-T.

Loại lưu lượng Đặc điểm Các kiểu/loại dữ liệu
Dữ liệu Không thuộc thời gian thực - Truyền dữ liệu, tải dữ liệu
- Truy cập Internet
- Lưu trữ dữ liệu
Thời gian thực Chuyển phát theo thời gian thực, không phục hồi khi đã thất lạc - Dịch vụ VoIP
- IPTV, VoD
- Hội thoại truyền hình
- Chơi game trên mạng
Lưu lượng ưu tiên Lưu lượng bắt buộc để duy trì độ ổn định của mạng - Đồng bộ mạng
- Dữ liệu điều khiển định tuyến
- Dữ liệu điều khiển chuyển mạch

Các chỉ tiêu chất lượng kỹ thuật đối với mạng IP theo khuyến nghị ITU-T Y.154x [44] được tổng hợp như sau:

Lớp dịch vụ / Dịch vụ đặc trưng Trễ trung bình Biến thiên trễ Tỷ lệ mất gói
Lớp 0: Thời gian thực, nhạy trôi trễ (VoIP, Hội nghị truyền hình) 100 ms < 50 ms < 1.00E-3
Lớp 1: Thời gian thực, có tính tương tác (VoIP, Hội nghị truyền hình) 400 ms < 50 ms < 1.00E-3
Lớp 2: Tương tác cao, trao đổi dữ liệu (truyền tín hiệu...) 100 ms Không xác định < 1.00E-3
Lớp 3: Dữ liệu trao đổi tương tác 400 ms Không xác định < 1.00E-3
Lớp 4: Mất gói thấp (Trao đổi ngắn, dữ liệu lớn, video streaming) 1 s Không xác định < 1.00E-3
Lớp 5: Các ứng dụng trên mạng IP mặc định Không xác định Không xác định Không xác định

Đối với các ứng dụng thoại và truyền hình, tiêu chuẩn ITU-T G.1010 [46] quy định cụ thể các mục tiêu chất lượng:

Môi trường Ứng dụng Mức độ đối xứng Tốc độ dữ liệu điển hình Trễ một chiều Phương sai trễ Tổn thất thông tin (Tỷ lệ mất gói PLR) Khác
Thoại Hội thoại Hai chiều 4–64 kbit/s < 150 ms (tốt nhất)
< 400 ms (giới hạn)		 < 1 ms < 3% Bao hàm điều khiển tiếng vọng tương thích
Thoại Thông điệp tiếng nói một chiều Chủ yếu một chiều 4–32 kbit/s < 1 s (phát lại)
< 2 s (ghi âm)		 < 1 ms < 3%
Thoại Dòng tín hiệu thoại chất lượng cao Chủ yếu một chiều 16–128 kbit/s < 10 s < 1 ms < 1% Phụ thuộc bộ mã hóa và tốc độ bit
Video Điện thoại thấy hình Hai chiều 16–384 kbit/s < 150 ms (tốt nhất)
< 400 ms (giới hạn)		 < 1% Độ lệch nhấp nháy môi < 80 ms
Video Video một chiều Một chiều 16–384 kbit/s < 10 s < 1%

Chương 1 tiến hành khảo sát và so sánh hai trường phái định tuyến:

  1. Định tuyến dùng thông tin toàn cục (TTTC): Khảo sát các cơ chế định tuyến nguồn (Source Routing), định tuyến phân tán (Distributed Routing), định tuyến phân cấp (Hierarchical Routing); đánh giá ưu nhược điểm của các giải thuật Best-Effort (BE), MHA, MIRA, WSP, SWP, SDP (với công thức tính khoảng cách $\text{disp}(p) = \sum_{j=1}^v \frac{1}{Bw(i,j)}$), MDWCRA và DFS.
  2. Định tuyến dùng thông tin nội bộ (TTNB): Phân tích nguyên lý hoạt động dựa trên thông tin thống kê tại nút nguồn kết hợp tập tuyến truyền xác định trước; đánh giá chi tiết các giải thuật điển hình gồm PSR, CBR, LDCR, LDR và HLABH.

Chương 2: Các phương pháp đánh giá hiệu năng các giải thuật định tuyến trên mạng

Chương 2 thiết lập các tiêu chí khoa học nhằm định lượng và so sánh hiệu năng của các giải thuật định tuyến, đồng thời giới thiệu môi trường mô phỏng.

Các tiêu chí đánh giá hiệu năng bao gồm:

  • Xác suất nghẽn luồng (Flow Blocking Probability - FBP): $$\text{FBP} = \frac{|B|}{|T|}$$ trong đó $|B|$ là tổng số luồng bị nghẽn (bị từ chối) và $|T|$ là tổng số luồng yêu cầu đến nút.
  • Xác suất nghẽn băng thông (Bandwidth Blocking Probability - BBP): Tỷ lệ dung lượng băng thông bị từ chối trên tổng băng thông yêu cầu.
  • Độ trễ đầu cuối - đầu cuối (End-to-End Delay): Giá trị trễ trung bình của toàn mạng hoặc từng nút mạng.
  • Chỉ số cân bằng tải Jain [72].

Chương này tập trung đề xuất hệ số đánh giá cân bằng tải băng thông vi phân DBM (Differential Bandwidth Metric):

  • Xét mạng $G(N, L)$, với mỗi cặp nút $i, j$, xét tập $V^d$ gồm $v$ đường kết nối có số bước nhảy không vượt quá $(\text{minhop}_{ij} + d)$, trong đó $d$ là độ sâu ($0 \le d \le N-2$).
  • Băng thông nhỏ nhất của đường nối $V_r^d$: $$\min Br^d = \min(Bw_{ih_1}, Bw_{h_1h_2}, \dots, Bw_{h_s j})$$
  • Giá trị phần tử ma trận $M_{ij}^d$: $$M_{ij}^d = \max(\min Br^d) \quad \text{với } r = {1, v}$$
  • Tổng giá trị băng thông khả dụng tại mỗi nút $j$: $$Q_j = \sum_{i=1}^N M_{ij}^d$$
  • Hệ số ưu tiên nút $\alpha_j$ phản ánh yêu cầu băng thông $Nd_j$: $$\alpha_j = \frac{N \cdot Nd_j}{\sum_{i=1}^N Nd_i}$$
  • Công thức tính hệ số DBM: $$\text{DBM} = \frac{\sqrt{\frac{1}{N-1} \sum_{j=1}^N \left( \alpha_j Q_j - \frac{\sum_{j=1}^N \alpha_j Q_j}{N} \right)^2}}{\frac{Bm}{bm (N-1)} \sum_{i=1}^N Nd_i}$$ trong đó $Bm$ là trung bình băng thông toàn mạng, $bm$ là giá trị trung bình băng thông khả dụng theo số kết nối. Giá trị DBM càng nhỏ biểu thị mức độ cân bằng tải băng thông càng cao; khi $\text{DBM} = 0$, mạng đạt trạng thái cân bằng tải băng thông hoàn hảo.

Các mô hình mạng ISP được chuẩn hóa trong mô phỏng gồm:

Tên mô hình mạng ISP Số nút mạng Độ dài tuyến truyền trung bình (theo bước nhảy) Được sử dụng trong các nghiên cứu
ISP1 32 3,137 [35], [91]...
ISP2 18 2,360 [19], [20], [40]...
ISP3 9 1,810 [A.10]

Chương 3: Đề xuất các giải thuật định tuyến dùng TTNB, trong đó sử dụng các thông số QoS làm tiêu chuẩn chọn đường

Dựa trên các cơ sở lý thuyết đã xây dựng, chương này trình bày các giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ mới. Giải thuật sử dụng trực tiếp các tham số QoS (băng thông, độ trễ, tỷ lệ mất gói) làm tiêu chuẩn chọn tuyến thông qua thủ tục so sánh tuần tự trực tiếp (Compare và Compare3). Cơ chế này giúp loại bỏ việc thu thập thông tin toàn mạng định kỳ, giảm thiểu việc tính toán phức tạp tại nút nguồn và khắc phục tình trạng định tuyến sai do thông tin trạng thái mạng bị lạc hậu. Hiệu năng của các giải thuật được kiểm chứng qua mô phỏng trên OMNeT++ đối với các kịch bản tải thay đổi trên các tô-pô mạng ISP1, ISP2 và ISP3.

Chương 4: Đề xuất các biện pháp cải thiện hiệu năng cho giải thuật định tuyến dùng TTNB

Chương 4 tập trung giải quyết các bài toán tối ưu hóa nhằm hoàn thiện giải thuật định tuyến dùng TTNB:

  • Đề xuất cơ chế xây dựng tập tuyến truyền linh động nhằm thay thế cấu trúc hai tập tĩnh ($R_{\min}$ và $R_{\text{alt}}$), hạn chế hiện tượng nghẽn do phân mảnh luồng và giảm chi phí quản lý bảng tuyến truyền tại nút mạng.
  • Nghiên cứu và đề xuất giải thuật định tuyến TTNB kết hợp mô hình định tuyến phân tán, cho phép các nút mạng trung gian tham gia quyết định chọn chặng tiếp theo dựa trên thông tin thống kê cục bộ, giúp giảm tải bộ nhớ lưu trữ và giảm khối lượng tính toán tập trung tại nút nguồn.
  • Xây dựng cơ chế điều khiển định tuyến linh hoạt, thích ứng với các mạng viễn thông có cấu hình phức tạp, nhiều cấp phân tầng và lưu lượng biến động lớn.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận khoa học

  • Đề xuất công thức và phương pháp luận xây dựng hệ số đánh giá cân bằng tải băng thông vi phân DBM (Differential Bandwidth Metric). Hệ số này cung cấp công cụ toán học để định lượng độ cân bằng phân bổ tài nguyên mạng có xét đến trọng số ưu tiên và yêu cầu lưu lượng của từng nút.
  • Hoàn thiện khung phân tích toán học cho bài toán định tuyến đảm bảo QoS đa ràng buộc sử dụng thủ tục so sánh tuần tự trực tiếp đối với hai tham số (băng thông, trễ) và ba tham số (băng thông, trễ, tỷ lệ mất gói).
  • Phát triển cơ sở lý thuyết kết hợp giữa kỹ thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ (TTNB) và cơ chế định tuyến phân tán trong mạng lõi phân tầng.

Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng

  • Xây dựng các giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB mới, giúp giảm chi phí lưu trữ bảng định tuyến và triệt tiêu lưu lượng bản tin cập nhật trạng thái toàn mạng.
  • Đề xuất giải pháp tập tuyến truyền linh động, nâng cao hiệu quả chọn đường và khắc phục hiện tượng trễ ghép nối dữ liệu tại nút đích.
  • Cung cấp giải pháp định tuyến phân tán có khả năng co giãn tốt, giảm tải xử lý tại các nút mạng lõi của các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP).
  • Các kết quả nghiên cứu chính đã được công bố trong các bài báo khoa học và công trình nghiên cứu thuộc danh mục của tác giả từ [A.1] đến [A.10] và các công trình liên quan [B.1] đến [B.6].

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Khuyến nghị ứng dụng hệ số DBM vào các hệ thống quản trị và giám sát mạng viễn thông để đánh giá mức độ cân bằng tải băng thông và hỗ trợ tối ưu hóa cấu hình mạng.
  • Đề xuất tích hợp các giải thuật định tuyến TTNB cải tiến vào các thiết bị định tuyến mạng lõi và mạng thế hệ mới nhằm đáp ứng yêu cầu chất lượng của các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các đánh giá và kiểm nghiệm hiệu năng giải thuật định tuyến chủ yếu được thực hiện thông qua công cụ mô phỏng phần mềm (OMNeT++ 4.5 và OPNET RiverBed 17.5) trên các mô hình tô-pô mạng mẫu (ISP1, ISP2, ISP3) với giả định liên kết truyền dẫn song hướng có băng thông đối xứng.
  • Luận án chưa thực hiện đo kiểm thực nghiệm trên hạ tầng phần cứng viễn thông vật lý thực tế dưới các luồng lưu lượng mang tính ngẫu nhiên cao của mạng diện rộng.
  • Bản chất bài toán định tuyến QoS đa ràng buộc là bài toán NP-khó, do đó các giải thuật đề xuất tập trung vào việc tìm kiếm tuyến truyền khả dụng thỏa mãn điều kiện dịch vụ hơn là tìm kiếm nghiệm tối ưu toàn cục tuyệt đối.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Tiếp tục hoàn thiện và tối ưu hóa cơ chế điều khiển định tuyến linh động trong môi trường mạng phân tán có quy mô lớn hơn và cấu hình không đồng nhất.
  • Triển khai thử nghiệm các giải thuật định tuyến đề xuất trên nền tảng thiết bị thực tế hoặc các mạng thử nghiệm tiên tiến.
  • Mở rộng nghiên cứu việc ứng dụng hệ số DBM trong bài toán tự động điều phối lưu lượng (Traffic Engineering) và quản lý tài nguyên động trong mạng thế hệ mới.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Mạng và Truyền thông, Công nghệ Thông tin. Tài liệu cung cấp bức tranh tổng quan có hệ thống về các giải thuật định tuyến QoS (từ các giải thuật TTTC như WSP, SWP, SDP, MIRA đến các giải thuật TTNB như PSR, CBR, LDCR, LDR).
  • Kỹ sư mạng và chuyên gia quy hoạch hạ tầng viễn thông: Tham khảo phương pháp luận xây dựng hệ số cân bằng tải DBM để làm công cụ đo lường, giám sát và tối ưu hóa phân bổ băng thông trên mạng lõi ISP.
  • Phần đáng tham khảo nhất:
    • Bảng tổng hợp các tiêu chuẩn chất lượng dịch vụ theo ITU-T Y.154x và ITU-T G.1010 tại Chương 1.
    • Công thức giải tích và quy trình tính toán hệ số DBM tại Chương 2.
    • Phương pháp thiết lập môi trường mô phỏng đo kiểm xác suất nghẽn luồng (FBP) và xác suất nghẽn băng thông (BBP) trên công cụ OMNeT++.

Câu hỏi thường gặp

1. Sự khác biệt cơ bản giữa định tuyến dùng thông tin toàn cục (TTTC) và định tuyến dùng thông tin nội bộ (TTNB) là gì?

Định tuyến dùng TTTC yêu cầu nút mạng phải liên tục thu thập, cập nhật và lưu trữ thông tin trạng thái của toàn bộ mạng thông qua các bản tin định kỳ để tính toán tuyến truyền. Ngược lại, định tuyến dùng TTNB đưa ra quyết định chọn tuyến truyền dựa hoàn toàn trên thông tin thống kê thu thập nội bộ tại chính nút mạng đó kết hợp với một tập các tuyến truyền đã được thiết lập sẵn, từ đó triệt tiêu nhu cầu trao đổi bản tin cập nhật trạng thái toàn mạng.

2. Thủ tục so sánh tuần tự các thông số QoS được luận án xây dựng như thế nào?

Luận án xây dựng thủ tục so sánh tuần tự trực tiếp thay cho hàm mục tiêu phức hợp. Với trường hợp 2 thông số, thủ tục Compare(p, f) kiểm tra lần lượt: nếu độ trễ tuyến truyền ($p.Delay$) nhỏ hơn hoặc bằng độ trễ yêu cầu ($f.Delay$), thuật toán tiếp tục kiểm tra băng thông ($p.Bw \ge f.Bw$); nếu thỏa mãn thì tuyến truyền $p$ được chọn, ngược lại sẽ bị loại bỏ. Với trường hợp 3 thông số, thủ tục Compare3(p, f) thực hiện kiểm tra tuần tự theo thứ tự: Tỷ lệ mất gói ($PER$) $\rightarrow$ Độ trễ ($Delay$) $\rightarrow$ Băng thông ($Bw$).

3. Hệ số DBM (Differential Bandwidth Metric) phản ánh điều gì và có công thức tính như thế nào?

Hệ số DBM là chỉ số đo lường mức độ cân bằng tải băng thông toàn mạng so với mức băng thông trung bình. Hệ số này được tính bằng tỷ số giữa độ lệch chuẩn có trọng số của tổng băng thông khả dụng tại các nút ($\alpha_j Q_j$) và tích của trung bình băng thông mạng ($Bm$), trung bình băng thông kết nối ($bm$) cùng tổng yêu cầu băng thông ($\sum Nd_i$): $$\text{DBM} = \frac{\sqrt{\frac{1}{N-1} \sum_{j=1}^N \left( \alpha_j Q_j - \frac{\sum_{j=1}^N \alpha_j Q_j}{N} \right)^2}}{\frac{Bm}{bm (N-1)} \sum_{i=1}^N Nd_i}$$ Giá trị DBM càng nhỏ biểu thị mạng sử dụng tài nguyên băng thông càng đồng đều; $\text{DBM} = 0$ tương ứng với trạng thái cân bằng tải tuyệt đối.

4. Luận án sử dụng những công cụ mô phỏng và mô hình mạng nào để kiểm chứng giải thuật?

Luận án sử dụng hai công cụ mô phỏng chính là OMNeT++ (phiên bản 4.5) để mô phỏng hoạt động giao thức, đo kiểm xác suất nghẽn luồng (FBP) và băng thông (BBP); cùng OPNET (phiên bản RiverBed 17.5) để phân tích độ trễ tuyến truyền. Ba mô hình tô-pô mạng lõi ISP thực nghiệm gồm: ISP1 (32 nút, độ dài tuyến trung bình 3,137 bước nhảy), ISP2 (18 nút, độ dài tuyến trung bình 2,36 bước nhảy) và ISP3 (9 nút, độ dài tuyến trung bình 1,81 bước nhảy).

5. Hạn chế chính của các giải thuật định tuyến TTNB đã công bố trước đây (như PSR, CBR, LDCR) là gì?

Giải thuật PSR gây hiện tượng nghẽn và trễ lớn tại nút đích do luồng dữ liệu bị phân mảnh quá mức trên nhiều tuyến truyền. Giải thuật CBR gặp khó khăn trong việc quản lý và tính toán lựa chọn giữa hai tập tuyến truyền ($R_{\min}$ và $R_{\text{alt}}$) khi quy mô mạng lớn. Giải thuật LDCR đòi hỏi phải thu thập toàn bộ băng thông còn lại trên mọi tuyến truyền đến nút đích, dẫn đến phát sinh trễ xử lý nội tại tại nút nguồn đối với các tuyến truyền có nhiều bước nhảy.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trên mạng viễn thông thông qua việc nghiên cứu và phát triển các giải thuật định tuyến sử dụng thông tin nội bộ (TTNB). Tác giả đã đề xuất hệ số đánh giá cân bằng tải băng thông DBM, thiết lập thủ tục so sánh tuần tự các tham số QoS, đồng thời xây dựng các giải pháp tập tuyến truyền linh động và định tuyến phân tán nhằm tối ưu hóa hiệu năng mạng. Các kết quả nghiên cứu được kiểm chứng định lượng bằng phần mềm mô phỏng OMNeT++ và OPNET trên các mô hình mạng lõi ISP chuẩn hóa, cung cấp cơ sở khoa học và công cụ thực tiễn cho công tác quy hoạch, điều phối lưu lượng mạng viễn thông.