Luận án tiến sĩ về điều khiển lưu lượng và độ tin cậy trong ảo hóa chức năng mạng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu mạng máy tính và truyền thông dữ liệu đề xuất giải pháp xấp xỉ và chính xác của điều khiển lưu, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng

• Tác giả: Nguyễn Thị Thùy Liên
• Người hướng dẫn: PGS. Hồ Si Đàm
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Mạng máy tính và truyền thông dữ liệu
• Đề tài: Giải Pháp Tối Ưu Cho Điều Khiển Lưu Lượng Và Độ Tin Cậy Trong Ảo Hóa Chức Năng Mạng
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái niệm cơ bản
• 1.2. Đảm bảo độ tin cậy của các dịch vụ trong NFV
• 1.3. Đề xuất nghiên cứu và phương pháp tiếp cận
• 1.4. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG ỨNG DỤNG ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG TRONG NFV
• 2.1. Phát biểu bài toán
• 2.2. Các mô hình tối ưu
• 2.3. Điều khiển lưu lượng theo nhiều khoảng thời gian
• 2.4. Giải thuật xấp xỉ
• 2.5. Tối ưu hệ thống trọng số liên kết
• 2.6. Xác định phương án phân bổ lưu lượng
• 2.7. Độ phức tạp thuật toán
• 2.8. Thực nghiệm đánh giá kết quả
• 2.9. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: ĐẢM BẢO ĐỘ TIN CẬY CHO CHUỖI CHỨC NĂNG MẠNG ẢO TRONG ĐIỆN TOÁN BIÊN
• 3.1. Phát biểu bài toán
• 3.2. Tối ưu hóa vị trí triển khai VNFs và triển khai dự phòng cho các VNFs
• 3.3. Mô hình tối ưu
• 3.4. Thực nghiệm đánh giá kết quả
• 3.5. Kết luận chương
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Ảo hóa chức năng mạng

Ảo hóa chức năng mạng (Network Function Virtualization - NFV) là một công nghệ mới trong lĩnh vực mạng truyền thông, cho phép chuyển đổi các chức năng mạng từ phần cứng sang phần mềm. Điều này giúp giảm chi phí đầu tư và tăng tính linh hoạt trong việc triển khai dịch vụ. Tối ưu hóa lưu lượng và điều khiển lưu lượng mạng là những yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất của hệ thống NFV. Việc áp dụng NFV giúp các nhà cung cấp dịch vụ có thể mở rộng quy mô và cải thiện chất lượng dịch vụ một cách nhanh chóng và hiệu quả. Theo nghiên cứu, NFV không chỉ giúp giảm thiểu chi phí mà còn nâng cao khả năng phục vụ khách hàng thông qua việc cung cấp dịch vụ tùy chỉnh. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu băng thông ngày càng tăng từ các ứng dụng như IoT và video trực tuyến.

II. Các thách thức trong điều khiển lưu lượng và độ tin cậy

Trong môi trường NFV, việc quản lý lưu lượng và đảm bảo độ tin cậy mạng là những thách thức lớn. Các chức năng mạng ảo (VNF) cần được triển khai một cách hiệu quả để tối ưu hóa hiệu suất mạng. Các vấn đề như tắc nghẽn lưu lượng, độ trễ và khả năng phục vụ yêu cầu dịch vụ là những yếu tố cần được xem xét. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các giải pháp tối ưu hóa có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. Đặc biệt, việc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để phân bổ lưu lượng và triển khai các chức năng mạng ảo có thể giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao độ tin cậy của dịch vụ. Các giải pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo rằng các yêu cầu dịch vụ được phục vụ đầy đủ.

III. Giải pháp tối ưu cho điều khiển lưu lượng

Giải pháp tối ưu cho điều khiển lưu lượng mạng bao gồm việc áp dụng các mô hình tối ưu hóa và thuật toán xấp xỉ. Các mô hình này giúp xác định phương án phân bổ lưu lượng một cách hiệu quả, từ đó tối ưu hóa hiệu suất mạng. Việc sử dụng các giải thuật như Simulated Annealing và các phương pháp tối ưu hóa khác có thể giúp cải thiện đáng kể khả năng phục vụ yêu cầu dịch vụ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa lưu lượng không chỉ giúp giảm thiểu độ trễ mà còn nâng cao độ tin cậy của dịch vụ. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các dịch vụ mạng ngày càng trở nên phức tạp và đa dạng.

IV. Đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng mạng

Để đảm bảo độ tin cậy mạng, việc triển khai các chức năng mạng ảo cần được thực hiện một cách cẩn thận. Các giải pháp như triển khai dự phòng cho các VNF và tối ưu hóa vị trí triển khai là rất quan trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa vị trí triển khai không chỉ giúp giảm thiểu chi phí mà còn nâng cao độ tin cậy của dịch vụ. Các kịch bản thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng các giải pháp này có thể cải thiện đáng kể khả năng phục vụ yêu cầu dịch vụ trong các tình huống khác nhau. Điều này cho thấy rằng việc đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng mạng là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển các dịch vụ mạng hiệu quả.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về giải pháp tối ưu cho điều khiển lưu lượng và độ tin cậy trong ảo hóa chức năng mạng đã chỉ ra rằng việc áp dụng các công nghệ mới như NFV có thể mang lại nhiều lợi ích cho các nhà cung cấp dịch vụ. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết, đặc biệt là trong việc đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của dịch vụ. Hướng phát triển tương lai cần tập trung vào việc cải thiện các thuật toán tối ưu hóa và phát triển các giải pháp mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao khả năng phục vụ và đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của khách hàng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Mạng máy tính và truyền thông dữ liệu (mã số: 9480102.01) của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thùy Liên, thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS. Hồ Sĩ Đàm và TS. Phạm Tuấn Minh, tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa điều khiển lưu lượng và đảm bảo độ tin cậy trong môi trường ảo hóa chức năng mạng.

Trong kiến trúc mạng truyền thống, các chức năng mạng (Network Function - NF) được tích hợp cố định trên các thiết bị phần cứng chuyên dụng. Sự phụ thuộc này làm giảm tính linh hoạt, kéo dài chu kỳ nâng cấp thiết bị, gia tăng chi phí vốn đầu tư (CAPEX) cũng như chi phí vận hành (OPEX), đồng thời khó đáp ứng sự bùng nổ nhu cầu băng thông từ các ứng dụng video, thiết bị di động và mạng Internet vạn vật (IoT). Ảo hóa chức năng mạng (Network Function Virtualization - NFV) giải quyết các hạn chế trên bằng cách tách rời chức năng mạng khỏi phần cứng vật lý, chuyển đổi chúng thành các chức năng mạng ảo (Virtual Network Function - VNF) vận hành dưới dạng phần mềm trên các máy chủ tiêu chuẩn và liên kết thành chuỗi chức năng dịch vụ (Service Function Chaining - SFC).

Tuy nhiên, việc triển khai NFV làm nảy sinh các thách thức kỹ thuật mới do tính chất NP-khó của bài toán gán và định tuyến VNF trên quy mô mạng lớn. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định từ thực tế:

• Các giải pháp điều khiển lưu lượng (Traffic Engineering - TE) hiện có chưa xem xét đồng thời hai yếu tố thực tế gồm sự phân hóa giữa các loại yêu cầu dịch vụ (dịch vụ đòi hỏi phục vụ toàn bộ và dịch vụ chấp nhận phục vụ một phần) và sự biến động lưu lượng theo các khoảng thời gian khác nhau trong ngày.
• Các giải pháp đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi SFC trong điện toán biên (Edge Computing/Edge Cloud) chưa giải quyết triệt để sự tương tác đồng thời giữa độ tin cậy phần cứng (nút vật lý), độ tin cậy phần mềm (VNF) và mức tiêu thụ tài nguyên của từng VNF để giảm chi phí dự phòng trước các nguy cơ lỗi đơn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được đánh số cụ thể gồm hai nội dung:

1. Nghiên cứu cải thiện hiệu năng mạng dựa trên điều khiển lưu lượng trong hệ thống NFV.
2. Nghiên cứu đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng mạng ảo trong hệ thống NFV.

Đối tượng nghiên cứu là các phương pháp mô hình hóa và phân tích tìm giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cho hệ thống ảo hóa chức năng mạng thông qua điều khiển lưu lượng và đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng dịch vụ. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian tập trung vào hạ tầng NFV kết hợp mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) và hệ thống IoT hỗ trợ NFV tại tầng biên (NFV-enabled IoT trong điện toán biên). Phạm vi kỹ thuật giới hạn ở việc xây dựng các mô hình quy hoạch tuyến tính nguyên hỗn hợp (MILP), phát triển các giải thuật xấp xỉ và đánh giá kiểm chứng thông qua mô phỏng số thực nghiệm trên các topo mạng mẫu.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng thuật các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế theo các nhóm chủ đề chính:

• Tiêu chuẩn hóa và kiến trúc NFV: Các tài liệu nền tảng của Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI), tiêu biểu là khung kiến trúc NFV GS NFV 002 và báo cáo mô hình độ tin cậy toàn trình ETSI GS NFV-REL 003. Các khảo sát toàn diện của Mijumbi et al. (2016), Han et al. (2015), và Herrera & Botero (2016) về kiến trúc, tài nguyên và quản lý điều phối (NFV MANO).
• Tối ưu hóa vị trí VNF và điều khiển lưu lượng: Addis et al. (2015) chứng minh bài toán đặt vị trí VNF thuộc lớp bài toán NP-khó. Các mô hình định tuyến và gán VNF nhằm tối đa hóa thông lượng và giảm chi phí của Kuo et al. (2018), Ghaznavi et al. (2015), Luizelli et al. (2015), Rost & Schmid (2018). Các nghiên cứu về mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) tích hợp NFV như kiến trúc SIMPLE của Qazi et al. (2013).
• Kỹ thuật định tuyến đa đường: Kỹ thuật Equal-Cost Multipath (ECMP) theo chuẩn RFC 2992 của Hopps (2000), nguyên lý định tuyến và phân bổ tải trong mạng truyền thông của Pioro & Medhi (2004), cùng các nghiên cứu cân bằng tải đa đường trong NFV của Tajiki et al. (2016, 2017).
• Đảm bảo độ tin cậy và phân bổ tài nguyên dự phòng trong NFV: Nghiên cứu GREP của Herker et al. (2015) tập trung bảo vệ chuỗi dịch vụ bằng cách ưu tiên sao lưu VNF có độ tin cậy thấp; các mô hình dự phòng nâng cao độ khả dụng của Fan et al. (2017), Alleg et al. (2017), Casazza et al. (2017), Engelmann et al. (2018), và Pham et al. (2017); các nghiên cứu triển khai VNF trong môi trường IoT và điện toán biên di động của Bagaa et al. (2018), Soualah et al. (2019), và Oteafy & Hassanein (2018).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết là:

• Về điều khiển lưu lượng: Khắc phục hạn chế của các nghiên cứu trước khi chỉ tối ưu hóa luồng tĩnh hoặc giả định lưu lượng đồng nhất, luận án đề xuất mô hình tích hợp đồng thời sự đa dạng về loại yêu cầu dịch vụ và sự thay đổi lưu lượng qua nhiều khoảng thời gian trên nền tảng định tuyến đa đường ECMP.
• Về đảm bảo độ tin cậy: Khắc phục hạn chế của các phương pháp dự phòng toàn phần hoặc chỉ xét riêng lẻ độ tin cậy phần mềm hay phần cứng, luận án giải quyết bài toán chống lỗi đơn nút biên với chi phí thấp nhất và cơ chế bổ sung bản sao lưu cục bộ dựa trên tỷ lệ giữa độ tin cậy đạt được và tài nguyên tiêu hao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án vận dụng các cơ sở lý thuyết chuẩn hóa và mô hình phân tích định lượng:

• Khung kiến trúc NFV theo ETSI gồm ba khối chức năng: Hạ tầng ảo hóa (NFVI), Các chức năng mạng ảo (VNFs) tạo nên chuỗi dịch vụ (SFC), và Khối quản lý điều phối (NFV MANO).
• Cơ sở lý thuyết độ tin cậy theo ETSI GS NFV-REL 003: Độ tin cậy của nút vật lý $k$ ký hiệu là $r_k$, được xác định dựa trên thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc (MTBF). Độ tin cậy của chức năng mạng ảo $f$ là $r_f$. Khi triển khai VNF $f$ trên nút vật lý $k$, độ tin cậy của thành phần là $R_{VNF} = r_f \cdot r_k$. Đối với chuỗi SFC gồm các VNF mắc nối tiếp trên các nút vật lý khác nhau, độ tin cậy chuỗi được xác định bằng tích số $R_{SFC} = \prod (r_k \cdot r_f)$. Nếu các VNF thành phần cùng nằm trên một nút vật lý $k$, công thức là $R_{SFC} = r_k \cdot \prod r_f$. Khi triển khai song song hai phiên bản chức năng nhằm mục đích dự phòng, độ tin cậy được tính theo công thức xác suất hệ thống song song: $R_{parallel} = 1 - \prod (1 - R_{branch})$.
• Kỹ thuật định tuyến đa đường Equal-Cost Multipath (ECMP): Phân chia đều lưu lượng ra khỏi mỗi nút trên các liên kết thuộc các đường đi ngắn nhất có cùng tổng trọng số. Hệ thống trọng số liên kết $w = {w_e : e \in E}$ đóng vai trò là biến quyết định phân bổ luồng.
• Khung tối ưu hóa quy hoạch tuyến tính nguyên hỗn hợp (MILP): Thiết lập các bài toán tối ưu với các hàm mục tiêu đa chỉ tiêu và các ràng buộc kỹ thuật về dung lượng nút, băng thông liên kết, bảo toàn luồng và trật tự chuỗi SFC.

Phương pháp nghiên cứu thực tế là sự kết hợp giữa mô hình hóa toán học và thực nghiệm mô phỏng số:

• Phương pháp mô hình hóa: Thiết lập các bài toán tối ưu dưới dạng mô hình MILP, phân tích độ phức tạp thuật toán và chứng minh tính NP-khó.
• Phương pháp giải thuật: Sử dụng công cụ thương mại IBM ILOG CPLEX Optimizer để giải tìm lời giải tối ưu chính xác cho các kịch bản mạng quy mô nhỏ. Đồng thời, luận án thiết kế giải thuật xấp xỉ metaheuristic dựa trên mô phỏng luyện kim (Simulated Annealing - SAN) và giải thuật tham lam (GREEDY) để tìm lời giải khả thi trong thời gian đa thức cho các mạng quy mô lớn.
• Dữ liệu và môi trường thực nghiệm:
  • Bộ dữ liệu topo mạng phục vụ bài toán điều khiển lưu lượng: Internet2 (mạng Abilene), Bcube (kiến trúc trung tâm dữ liệu), Geant (mạng đường trục châu Âu), và Two-tier (mạng phân tầng).
  • Kịch bản thực nghiệm hệ thống điện toán biên IoT: Xây dựng các kịch bản mạng gồm các nút biên và gateway IoT ở ba quy mô: Small network (5 nút biên, 5 nút IoT), Medium network (15 nút biên, 150 yêu cầu dịch vụ) và Large network (quy mô lớn, lên đến 650 yêu cầu dịch vụ).
  • Cấu hình thực nghiệm phần cứng: Máy tính PC x64, trang bị bộ vi xử lý Intel Core i7-6600 hai lõi xung nhịp 2.6 GHz, bộ nhớ trong 16GB RAM. Mỗi kịch bản mô phỏng được thực hiện lặp lại 50 lần độc lập để lấy giá trị trung bình thống kê.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về ảo hóa chức năng mạng

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về công nghệ ảo hóa, quá trình hình thành và phát triển của NFV từ mốc lịch sử năm 2012 khi tài liệu kỹ thuật ban đầu được công bố bởi các nhà mạng viễn thông (AT&T, BT, Deutsche Telekom, Orange, Telecom Italia, Telefonica, Verizon) tại ETSI. Luận án phân tích chi tiết 6 hạn chế cố hữu của mạng truyền thống: hạn chế về tính linh hoạt do phần cứng gắn liền phần mềm, ràng buộc về khả năng mở rộng quy mô, kéo dài thời gian thương mại hóa dịch vụ mới (time-to-market), chi phí hoạt động cao, tình trạng cấu hình dư thừa tài nguyên (over-provisioning), và rào cản về tính tương thích giữa các thiết bị độc quyền.

Nội dung chương trình bày chi tiết kiến trúc ba tầng của NFV (NFVI, VNFs, NFV MANO), mô hình đồ thị chuyển tiếp của chuỗi chức năng dịch vụ (SFC), và mối quan hệ bổ trợ giữa NFV với SDN, Điện toán đám mây và IoT. Đồng thời, tác giả khảo sát các công thức tính toán độ tin cậy dịch vụ theo tài liệu ETSI GS NFV-REL 003 đối với cấu hình thành phần đơn lẻ, chuỗi nối tiếp và chuỗi song song. Chương 1 chỉ ra 6 thách thức kỹ thuật lớn trong triển khai NFV gồm: hiệu năng ảo hóa chức năng xử lý theo tốc độ đường truyền, quản lý và điều phối MANO, tiêu chuẩn hóa giao diện kết nối, hiệu suất tiêu thụ năng lượng, phân bổ và định vị chức năng (VNF deployment), và điều khiển lưu lượng (traffic steering).

Chương 2: Điều khiển lưu lượng ứng dụng định tuyến đa đường trong NFV

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán điều khiển lưu lượng (TE) cho chuỗi SFC trong môi trường NFV hỗ trợ SDN thông qua kỹ thuật định tuyến đa đường ECMP. Luận án xây dựng ba mô hình bài toán tối ưu quy hoạch tuyến tính nguyên hỗn hợp:

1. Mô hình ED (differentiated Demands): Xem xét sự phân hóa yêu cầu dịch vụ, chia tập yêu cầu $D$ thành hai nhóm: nhóm $D_{strict}$ (yêu cầu mạng phục vụ 100% lưu lượng) và nhóm $D_{elastic}$ (cho phép hệ thống phục vụ một phần lưu lượng tùy theo khả năng đáp ứng tài nguyên).
2. Mô hình EP (multiple time Periods): Tối ưu hóa điều khiển lưu lượng theo tập các khoảng thời gian $T = {1, 2, ..., |T|}$, giải quyết sự biến thiên lưu lượng theo các chu kỳ khác nhau.
3. Mô hình EDP (differentiated Demands and multiple time Periods): Tích hợp đồng thời cả hai yếu tố về sự phân hóa loại yêu cầu dịch vụ và sự biến động lưu lượng theo chu kỳ thời gian.

Để giải quyết bài toán trong thời gian thực, luận án đề xuất giải thuật xấp xỉ điều chỉnh hệ thống trọng số liên kết $w = {w_e : e \in E}$ (với $w_e \in {1, ..., w_{max}}$). Việc tối ưu hóa trọng số này điều hướng lưu lượng tự động phân chia đồng đều trên các đường đi ngắn nhất tương đương thông qua cơ chế ECMP, giúp tránh tắc nghẽn cục bộ mà không làm tăng độ phức tạp báo hiệu điều khiển.

Bộ dữ liệu topo	Số nút / Cấu trúc mạng	Yếu tố đánh giá thực nghiệm	Kết quả ghi nhận chính
Internet2	Mạng đường trục Abilene	Mô hình ED, EP, và EDP	Tối ưu hóa chi phí định tuyến, phục vụ đầy đủ nhóm dịch vụ bắt buộc
Bcube	Cấu trúc mạng trung tâm dữ liệu	Phân chia tải đa đường ECMP	Giảm hiện tượng quá tải cục bộ trên các liên kết máy chủ
Geant	Mạng liên kết nghiên cứu châu Âu	Biến thiên lưu lượng theo thời gian EP	Cân bằng tải hiệu quả qua tất cả các khoảng thời gian trong chu kỳ
Two-tier	Cấu trúc phân tầng hai lớp	Đánh giá tổng hợp mô hình EDP	Nâng cao tỷ lệ lưu lượng được phục vụ và hạ thấp chi phí định tuyến

Chương 3: Đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng mạng ảo trong điện toán biên

Chương 3 giải quyết bài toán đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi SFC trong hệ thống IoT có triển khai NFV tại tầng biên (Edge Computing). Do tài nguyên tính toán tại tầng biên bị hạn chế, tác giả đề xuất quy trình giải quyết gồm hai giai đoạn độc lập:

• Giai đoạn 1: Tối ưu hóa vị trí triển khai VNF chính (primary VNFs) và triển khai dự phòng đầy đủ (full-backup VNFs). Mô hình MILP đặt ra mục tiêu bảo vệ chuỗi dịch vụ trước bất kỳ sự cố đơn lẻ nào xảy ra trên các nút vật lý biên. Luận án đề xuất giải thuật xấp xỉ Simulated Annealing (SAN) để tìm vị trí đặt VNF chính và VNF dự phòng, so sánh với giải thuật tham lam (GREEDY) và lời giải tối ưu từ công cụ CPLEX.
• Giai đoạn 2: Tối thiểu hóa chi phí triển khai dự phòng VNF bổ sung nhằm đáp ứng ngưỡng tin cậy khắt khe của từng dịch vụ IoT ($R_{req}$). Luận án đề xuất chiến lược lựa chọn VNF mang tên CRM (Cost-Reliability Metric), tính toán mối tương quan giữa mức độ cải thiện độ tin cậy và lượng tài nguyên tiêu thụ khi nhân bản VNF. Chiến lược CRM được đối sánh với hai chiến lược khác là RELVNF (ưu tiên VNF có độ tin cậy thấp nhất) và RELVNF-Node (kết hợp độ tin cậy của VNF và nút vật lý).

Kịch bản thực nghiệm	Phương pháp so sánh	Tiêu chí so sánh	Số liệu kết quả thực nghiệm
Small network (5 nút biên, 5 nút IoT)	SAN so với CPLEX	Chi phí triển khai và thời gian xử lý	SAN cho chi phí tiệm cận nghiệm tối ưu của CPLEX; thời gian tính của SAN tăng tuyến tính, CPLEX tăng phi tuyến bùng nổ
Medium network (15 nút biên, 150 yêu cầu)	SAN so với GREEDY	Tổng chi phí triển khai VNF và dự phòng	SAN tiết kiệm từ 18% đến 30% chi phí so với GREEDY
Large network (quy mô lớn, tới 650 yêu cầu)	SAN so với GREEDY	Tổng chi phí triển khai VNF và dự phòng	SAN tiết kiệm từ 15% đến 37% chi phí so với GREEDY
Medium network (năng lực giảm từ 100MHz xuống 40MHz)	SAN so với GREEDY	Khả năng đáp ứng khi tài nguyên biên cạn kiệt	SAN duy trì chi phí thấp hơn; khoảng cách chi phí thu hẹp do giới hạn tài nguyên vật lý
Medium network (Dự phòng bổ sung giai đoạn 2)	CRM so với RELVNF và RELVNF-Node	Chi phí dự phòng bổ sung & Tỷ lệ đạt độ tin cậy	CRM tiết kiệm 15% - 50% chi phí so với RELVNF-Node; tiết kiệm 16% - 40% chi phí so với RELVNF
Large network (Dự phòng bổ sung giai đoạn 2)	CRM so với RELVNF và RELVNF-Node	Chi phí dự phòng bổ sung & Tỷ lệ đạt độ tin cậy	CRM đạt tỷ lệ yêu cầu thỏa mãn ngưỡng tin cậy cao hơn hai chiến lược còn lại

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã công bố các kết quả nghiên cứu trên các diễn đàn khoa học chuyên ngành, bao gồm hai đóng góp khoa học chính:

1. Đóng góp về điều khiển lưu lượng trong NFV: Đề xuất giải pháp điều khiển lưu lượng ứng dụng định tuyến đa đường ECMP có xem xét đồng thời sự đa dạng về loại yêu cầu dịch vụ (ED) và sự biến đổi lưu lượng qua nhiều khoảng thời gian (EP) thành mô hình hợp nhất EDP. Giải pháp tối ưu hóa hệ thống trọng số liên kết giúp phân bổ tải cân bằng, tăng tỷ lệ chấp nhận yêu cầu dịch vụ và giảm thiểu chi phí định tuyến toàn mạng. Kết quả này được công bố trong bài báo hội nghị quốc tế [C1] (IEEE ICCE 2018) và bài báo tạp chí quốc tế [J1].
2. Đóng góp về đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng mạng ảo trong điện toán biên: Đề xuất giải pháp hai giai đoạn kết hợp giải thuật xấp xỉ mô phỏng luyện kim SAN và chiến lược lựa chọn VNF theo chỉ số chi phí - độ tin cậy CRM. Kết quả thực nghiệm xác nhận SAN giúp tiết kiệm từ 15% đến 37% tổng chi phí triển khai so với giải thuật GREEDY và giảm đáng kể thời gian tính toán so với CPLEX. Chiến lược CRM giúp tiết kiệm từ 30% đến 40% chi phí triển khai dự phòng bổ sung so với các chiến lược truyền thống trong khi vẫn đáp ứng ngưỡng tin cậy yêu cầu của các dịch vụ IoT. Kết quả này được công bố trên tạp chí quốc tế [J2] (Journal of Network and Systems Management).

Các kiến nghị và giải pháp đề xuất bao gồm:

• Ứng dụng kỹ thuật tối ưu hóa trọng số liên kết kết hợp giao thức định tuyến ECMP sẵn có trong các bộ định tuyến thương mại để điều khiển lưu lượng mà không cần thay đổi cấu trúc phần cứng mạng.
• Áp dụng quy trình dự phòng hai giai đoạn và chiến lược CRM trong các hệ thống điện toán biên IoT nhằm giải quyết bài toán cân đối giữa chi phí đầu tư hạ tầng máy chủ biên và yêu cầu chất lượng dịch vụ (SLA).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu được tác giả nêu rõ dựa trên phạm vi mô hình hóa:

• Mô hình đảm bảo độ tin cậy trong Chương 3 mới chỉ xem xét và xử lý các kịch bản lỗi đơn lẻ xảy ra trên các nút mạng biên (single node failure), chưa giải quyết các sự cố xảy ra đồng thời trên nhiều nút hoặc sự cố đứt gãy các đường liên kết mạng.
• Kỹ thuật định tuyến đa đường trong Chương 2 mới khai thác cơ chế phân chia lưu lượng đồng đều của giao thức ECMP, chưa tích hợp các cơ chế phân luồng theo tỷ trọng bất kỳ.
• Không gian bài toán điện toán biên mới giới hạn trong phạm vi một cụm biên đơn lẻ, chưa giải quyết bài toán phân bổ chuỗi SFC xuyên suốt nhiều trung tâm dữ liệu biên phân tán (multi-edge datacenter).

Các hướng phát triển tiếp theo được luận án xác định:

• Nghiên cứu lý thuyết: Mở rộng các chiến lược định tuyến đa đường hiệu quả hơn ECMP trong điều khiển lưu lượng; nghiên cứu giải pháp định tuyến thích ứng với sự thay đổi động theo thời gian thực của yêu cầu dịch vụ; đề xuất cơ chế chia sẻ tài nguyên dự phòng (backup sharing) giữa các chuỗi dịch vụ; và nghiên cứu các chiến lược phân bổ SFC tối ưu trong môi trường nhiều trung tâm dữ liệu biên.
• Nghiên cứu thực nghiệm: Cài đặt và thử nghiệm các mô hình, giải thuật đã đề xuất trên các môi trường mạng thực tế (testbed) và các công cụ mô phỏng chuyên dụng nhằm kiểm chứng khả năng ứng dụng thực tế của các giải pháp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo hữu ích đối với các nhóm đối tượng nghiên cứu và ứng dụng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Mạng máy tính, Truyền thông dữ liệu, Khoa học máy tính và Kỹ thuật viễn thông: Có thể tham khảo phương pháp luận mô hình hóa bài toán tối ưu tổ hợp MILP, cách thức biểu diễn chuỗi chức năng dịch vụ SFC, và phương pháp ứng dụng các giải thuật metaheuristic (Simulated Annealing) trong việc giải các bài toán NP-khó của mạng ảo hóa.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống và chuyên gia hoạch định chính sách hạ tầng mạng viễn thông: Có thể tham khảo mô hình điều khiển lưu lượng EDP và chiến lược dự phòng CRM để áp dụng vào các dự án chuyển đổi hạ tầng mạng từ phần cứng chuyên dụng sang nền tảng NFV/SDN, đặc biệt là trong các kiến trúc mạng 5G và mạng biên phục vụ IoT, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị và đảm bảo các cam kết chất lượng dịch vụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Bài toán đặt vị trí chức năng mạng ảo (VNF placement) có độ phức tạp tính toán như thế nào và luận án giải quyết bài toán này bằng công cụ gì?
Bài toán đặt vị trí VNF thuộc lớp bài toán NP-khó (NP-hard). Khi quy mô mạng tăng lên, không gian tìm kiếm bùng nổ khiến việc tìm lời giải tối ưu bằng các công cụ giải chính xác trở nên bất khả thi trong thời gian thực. Luận án giải quyết bằng cách sử dụng công cụ IBM ILOG CPLEX Optimizer để tìm nghiệm tối ưu cho mạng nhỏ, đồng thời đề xuất giải thuật xấp xỉ mô phỏng luyện kim (Simulated Annealing - SAN) để tìm nghiệm gần tối ưu trong thời gian đa thức cho mạng quy mô trung bình và lớn.

2. Mô hình điều khiển lưu lượng EDP trong Chương 2 giải quyết vấn đề gì khác biệt so với các kỹ thuật điều khiển lưu lượng thông thường?
Kỹ thuật điều khiển lưu lượng thông thường thường chỉ tối ưu hóa luồng tĩnh tại một thời điểm và coi mọi luồng dữ liệu có mức ưu tiên như nhau. Mô hình EDP xem xét đồng thời hai yếu tố: sự phân loại yêu cầu dịch vụ (gồm nhóm $D_{strict}$ đòi hỏi phục vụ toàn bộ và nhóm $D_{elastic}$ cho phép phục vụ một phần) và sự biến động của ma trận lưu lượng qua nhiều khoảng thời gian $T$, kết hợp với việc điều chỉnh trọng số liên kết theo kỹ thuật định tuyến đa đường ECMP để tránh nghẽn mạng cục bộ.

3. Độ tin cậy của chuỗi chức năng dịch vụ SFC được tính toán như thế nào theo tiêu chuẩn ETSI?
Theo tiêu chuẩn ETSI GS NFV-REL 003, độ tin cậy của một VNF $f$ đặt trên nút vật lý $k$ là $R_{VNF} = r_f \cdot r_k$ (với $r_k$ tính từ chỉ số MTBF của phần cứng và $r_f$ là độ tin cậy phần mềm). Nếu chuỗi SFC gồm các VNF mắc nối tiếp trên các nút vật lý khác nhau, độ tin cậy toàn chuỗi bằng tích số độ tin cậy của từng thành phần: $R_{SFC} = \prod (r_k \cdot r_f)$. Nếu các VNF thành phần cùng chạy trên một nút vật lý $k$, độ tin cậy được tính bằng $R_{SFC} = r_k \cdot \prod r_f$.

4. Chiến lược CRM trong Chương 3 hoạt động theo nguyên tắc nào và đạt hiệu quả ra sao so với các chiến lược đối chuẩn?
Chiến lược CRM (Cost-Reliability Metric) lựa chọn các VNF để nhân bản dự phòng bổ sung dựa trên tỷ số giữa tài nguyên tiêu hao và mức cải thiện độ tin cậy. Trong thực nghiệm, CRM giúp tiết kiệm từ 15% đến 50% chi phí triển khai dự phòng so với chiến lược RELVNF-Node và từ 16% đến 40% so với chiến lược RELVNF, đồng thời đạt tỷ lệ yêu cầu dịch vụ thỏa mãn ngưỡng tin cậy cao hơn.

5. Kết quả so sánh giữa giải thuật SAN và công cụ CPLEX trong Chương 3 cho thấy điều gì về tính khả thi?
Thực nghiệm trên kịch bản mạng nhỏ (small network gồm 5 nút biên và 5 nút IoT) cho thấy độ tin cậy nhỏ nhất và tổng chi phí triển khai đạt được bởi SAN rất tiệm cận với lời giải tối ưu của CPLEX. Về thời gian tính toán, thời gian xử lý của CPLEX tăng bùng nổ phi tuyến theo số lượng yêu cầu dịch vụ, trong khi thời gian thực thi của SAN chỉ tăng tuyến tính ở mức thấp, chứng minh tính khả thi của SAN khi áp dụng vào các hệ thống mạng quy mô lớn.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Thùy Liên đã giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng mạng và đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng dịch vụ trong môi trường ảo hóa chức năng mạng NFV. Bằng phương pháp mô hình hóa quy hoạch tuyến tính nguyên hỗn hợp kết hợp với các giải thuật xấp xỉ mô phỏng luyện kim và chiến lược lựa chọn dự phòng CRM, công trình đã đưa ra các giải pháp khả thi giúp tối ưu hóa chi phí và đảm bảo độ tin cậy cho các dịch vụ mạng biên IoT. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết được kiểm chứng chặt chẽ thông qua mô phỏng số trên các bộ dữ liệu mạng chuẩn và đã được công bố trên các tạp chí và hội nghị khoa học quốc tế chuyên ngành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ẢO HÓA CHỨC NĂNG MẠNG Chương này trình bày cơ sở lý thuyết liên quan đến các van đề nghiên cứu của luận án. Phần thứ nhất trình bày các kiến thức tổng quan về Ao hóa chức năng mạng. Phần tiếp theo giới thiệu về các hướng nghiên cứu nhằm đảm bảo hiệu năng mạng trong NFV. Tiếp đến là đề xuất các bài toán nghiên cứu và phương pháp tiếp cận.

Các kết luận được đưa ra trong phần cuối cùng của chương. Công nghệ ảo hóa "Ảo hóa là một công nghệ cho phép kết hợp hoặc phân chia tài nguyên tính toán nhằm biểu diễn một hoặc nhiều môi trường hoạt động phục vu các chúc năng nhất định thông qua các kỹ thuật phân ving hoặc tích hợp phan cứng va phần mềm từ đó mmô phỏng một phần hoặc toàn bộ máu, giả lập, chia sẻ thời gian va các phương pháp khác" {18}. Khái niệm máy ảo đã tồn tại từ những năm 1960 khi được IBM lần đầu tiên phát triển để cung cấp khả năng tương tác và truy cập đồng thời vào một máy tính lón. Mỗi máy ảo (Virtual Machines - VM) là đại diện của một máy vật lý, làm cho người dùng tin rằng họ đang truy cập trực tiếp vào hệ thống vật lý qua đó cho phép chia sẻ thời gian và chia sẻ tài nguyên trên phần cứng đắt tiền.

VM là một bản sao độc lập của hệ thống cơ bản và được bảo vệ hoàn toàn. Người dùng có thể thực thi, phát triển và kiểm tra các ứng dụng mà không sợ gây ra sự cố cho hệ thống được sử dụng bởi những người dùng khác trên cùng một máy tính. Quá trình này là hoàn toàn trong suốt đối với người dùng cuối. Do đó, ảo hóa đã được sử dụng để giảm chi phí mua phần cứng và cải thiện năng suất bằng cách cho phép nhiều người dùng đồng thời làm việc trên cùng một hệ thống máy tính.

Trong những năm 1970 và 1980 khi mà chi phí phần cứng máy tính giảm đáng kể và xuất hiện những hệ điều hành đa nhiệm dẫn đến hệ quả là nhu cầu ảo hóa gần như không còn nữa. Xuyên suốt những năm 1990, với sự xuất hiện rộng rãi của nhiều loại máy tính, nhu cầu chạy các ứng dụng khác nhau với những yêu cầu rất khác nhau về phần cứng và hệ điều hành dẫn đến sáng kiến đưa ảo hóa quay trở lại thị trường [62]. Các nhà nghiên cứu của Đại học Stanford bắt đầu xem xét máy ảo để khắc phục những khó khăn mà phần cứng và các giới hạn của hệ điều hành đặt ra. Với ảo hóa, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể làm cho những kiến trúc khó sử dụng này trông giống với nền tảng hiện có để tận dụng các hệ điều hành hiện tại.

Kỹ thuật ảo hóa đã thật sự cắt giảm đáng kể chi phí liên quan đến việc mua, thiết lập và bảo trì phần cứng của các doanh nghiệp. Đối với mọi tổ chức, bài toán làm thế nào để sử dụng hiệu quả tài nguyên máy tính được ưu tiên cao nhất. Những tài nguyên này có thể bao gồm phần cứng và phần mềm. Với công nghệ ảo hóa, cả phần cứng và phần mềm đều có thể được thay thế để người dùng cuối có thể sử dụng tất cả tài nguyên.

Những năm trước đó, hầu hết các ứng dụng chính hoặc một số loại hoạt động của máy tính cần có các phần cứng hoặc phần mềm chuyên dụng để hoạt động [80]. Các tổ chức sẽ mua thiết bị cho các ứng dung này dựa trên yêu cầu tối thiểu và hiệu suất trung bình của thiết bị.