Chương 1 trình bày về vấn đề đảm bảo QoS trong mạng IP; một số cơ chế giám sát, định trình điều khiển QoS điển hình trong mạng IP làm cơ sở để xây dựng cơ chế giám sát, điều khiển đảm bảo QoS trong mạng IP nêu trong chương 2 và chương 3. Các đóng góp chính của luận án được trình bày trong các chương 2, 3 và 4. Chương 2 trình bày yêu cầu giám sát QoS, các kết quả nghiên cứu liên quan, trên cơ sở đó đề xuất cơ chế giám sát QoSM áp dụng cho nút mạng CE. Cơ chế QoSM gồm 3 phương pháp giám sát: Phương pháp PAE ước lượng giá trị trung bình các tham số QoS định kỳ trong các khoảng thời gian ngắn; phương pháp RateMon giám sát, hạn chế tốc độ tối đa của luồng tin tại một nút mạng; phương pháp QoSMon giám sát các tham số QoS phối hợp hai nút mạng.
Cuối cùng là kết quả mô phỏng cơ chế giám sát và hạn chế tốc độ. Nội dung của chương 2 gắn với kết quả của các công trình đã công bố số (3), (4) và (5). Chương 3 trình bày yêu cầu về giám sát, điều khiển QoS; trên cơ sở đó đề xuất cơ chế MQCM giám sát và bù thông lượng cho các luồng tại nút mạng CE. MQCM gồm các thành phần chính: Khối giám sát QoS sử dụng các phương pháp giám sát của cơ chế QoSM; Bộ định trình MPWPS điều khiển bù thông lượng bằng phương pháp bù QCM, trên cơ sở thông tin do QoSM giám sát được.
Chương 3 cũng trình bày kết quả mô phỏng giám sát, điều khiển bù thông lượng sử dụng cơ chế MQCM. Kết quả của chương 3 đã được công bố trong các công trình số (1), (2), (4) và (5). Chương 4 trình bày các nghiên cứu liên quan về mô hình dịch vụ tải file, đề xuất áp dụng QoSM và MQCM đã đề xuất trong chương 2 và chương 3 vào mô hình 6 QoS Download Gateway. QoS Download Gateway cung cấp dịch vụ download cho người dùng theo profile đã đăng ký, hạn chế tốc độ tải file tối đa, bù thông lượng cho các phiên download để đảm bảo các luồng được phục vụ công bằng theo trọng số của chúng.
Đây cũng là nội dung của công trình số (6). Phần kết luận nêu những kết quả chính của luận án và hướng phát triển tiếp theo. 7 CHƯƠNG 1 VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP Mạng chuyển mạch gói sử dụng giao thức Internet (Mạng IP) cho phép truyền tải lưu lượng đa dịch vụ với yêu cầu chất lượng đa dạng trên cùng một hạ tầng mạng [7]. Trong chương này, luận án trình bày những vấn đề liên quan đến đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP; những vấn đề còn tồn tại của các công trình liên quan đến việc đảm bảo QoS trong mạng IP đến nay, qua đó nêu ra trọng tâm nghiên cứu, đề xuất một số cơ chế tăng cường khả năng đảm bảo chất lượng trong mạng IP.
Cấu trúc của chương như sau: Phần 1.1 trình bày các vấn đề khái quát về mạng IP và đảm bảo QoS.2 trình bày về cơ chế định trình, điều khiển QoS.3 trình bày về cơ chế giám sát QoS. Phần cuối là các kết luận của chương.1 Mạng IP và chất lượng dịch vụ 1. Mạng IP Trước đây, mạng điện thoại (cố định, di động), mạng truyền số liệu (ATM, X25, Frame Relay), mạng Internet là các mạng độc lập với nhau. Mạng điện thoại sử dụng chuyển mạch kênh đáp ứng kết nối để cung cấp các dịch vụ như thuê kênh riêng, thoại.
Mạng truyền số liệu và mạng Internet sử dụng chuyển mạch gói đáp ứng kết nối cho các dịch vụ truyền số liệu, truy cập thông tin,… WWW, VoIP, WWW, VoIP, video, data Chức năng của máy chủ, máy trạm video, data Đa dạng FTP, SMTP, FTP, SMTP, về dịch vụ RTP… RTP… Chức năng của nút mạng (router) Nền tảng IP IP giao thức IP Ethernet, xDSL, Ethernet, xDSL, Đa dạng Chức năng của kết nối, của nút mạng FTTx, Wifi, 3G, FTTx, Wifi, 3G, về công nghệ … … hạ tầng mạng Hình 1. Mô hình mạng IP cung cấp đa dịch vụ [26] 8 Ban đầu Mạng IP được thiết kế để truyền các gói tin không yêu cầu cao về QoS. Ngày nay, thế hệ mạng mới được phát triển theo hướng sử dụng giao thức IP toàn trình (All-IP), cho phép hợp nhất các mạng, dịch vụ truyền thống như trên hình 1.1 [26], trong đó có các dịch vụ yêu cầu cao về chất lượng. Mạng IP bao gồm các nút mạng và kết nối giữa các nút mạng đó.
Các ứng dụng truyền thông tin qua mạng từ trạm nguồn (PC, server) đến trạm đích thông qua các nút mạng trung gian (router, switch). Kết nối giữa các nút mạng dùng công nghệ truyền dẫn khác nhau như cáp đồng, cáp quang, vô tuyến với băng thông của một kết nối tới hàng trăm gigabit/s. Trong mạng IP tồn tại những điểm tập trung lưu lượng tại nơi giao nhau giữa lớp mạng truy nhập và mạng trục (còn gọi là các “nút cổ chai”, “kết nối cổ chai”). Lưu lượng qua những điểm này dễ dẫn tới khả năng tắc nghẽn nếu không có cơ chế điều khiển đảm bảo QoS [7].
Đầu vào Đầu ra Kết nối vật Kết nối vật lý vào lý ra Bộ đệm vào Bộ xử lý Bộ đệm ra định tuyến Hình 1. Mô hình nút mạng IP – router [1] Hình 1.2 là cấu trúc cơ bản của một nút mạng IP (router), có một số kết nối vật lý vào/ra. Router có hai chức năng chính là định tuyến và chuyển mạch. Chức năng định tuyến xác định đường đi của các gói tin.
Chức năng chuyển mạch thực hiện chuyển gói tin từ kết nối vào đến kết nối ra. Lưu lượng đầu vào có thể tăng đột biến, vì vậy các gói tin đến được lưu trữ tại hàng đợi đầu vào để xử lý. Khi gói tin chuyển tới giao diện ra vượt quá dung lượng đường truyền thì xảy ra tình trạng quá tải, vì vậy hàng đợi đầu ra được sử dụng để lưu trữ, xử lý các gói tin tại đầu ra. Bộ định trình là cơ cấu được thiết kế để lựa chọn gói tin trong hàng đợi đầu ra để xử lý, đưa ra khỏi nút mạng.
9 Các cơ chế đảm bảo QoS đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng đa dạng trên mạng IP đã được nghiên cứu từ nhiều năm nay, nhưng vẫn đang là một trọng tâm nghiên cứu do QoS là vấn đề khá rộng và phức tạp, liên quan đến nhiều cơ chế trong mạng. Một mặt, các cơ chế đã đề xuất chưa thực sự hoàn toàn đáp ứng thực tiễn vì vẫn còn những hạn chế, tồn tại nhất định như đã nêu cụ thể ở phần Mở đầu. Mặt khác, sự phát triển không ngừng của mạng và đặc biệt là các công nghệ, các dịch vụ mới đã tạo ra những biến đổi sâu sắc về lưu lượng mạng và tạo ra thêm nhiều thách thức mới cho vấn đề đảm bảo QoS. Chất lượng dịch vụ trên mạng IP Các ứng dụng trên mạng IP có yêu cầu khác nhau về chất lượng (băng thông, độ trễ, thông lượng, tỷ lệ mất gói…).
Ta có thể phân loại các ứng dụng theo các yêu cầu về băng thông và độ trễ như mô tả trên Hình 1.3 [39]; phân loại lưu lượng các dịch vụ như trên Bảng 1. Phân loại một số ứng dụng theo thông lượng và độ trễ [39]. Phân loại lưu lượng các dịch vụ [19] Loại lưu lượng Các ứng dụng Ví dụ về dịch vụ Dữ liệu Không cần thời gian thực, - Truyền dữ liệu truyền dữ liệu - Truy nhập Internet - Tải tập tin lên/xuống dùng giao thức FTP - Ứng dụng trên máy chủ, hệ thống lưu trữ Thời gian thực Quảng bá thời gian thực, - Thoại qua IP (VoIP) không thể tái tạo khi mất - IPTV, Video theo yêu cầu, Hội nghị truyền hình gói tin - Internet radio, TV, gaming Ưu tiên cao Thông tin duy trì hoạt - Thông tin quản lý, quản trị, vận hành hệ thống động ổn định của mạng - Thông tin điều khiển chuyển mạch, định tuyến - Thông tin đồng bộ (như SynchE, IEEE 1588v2) 10 Yêu cầu chất lượng của một số dịch vụ điển hình như sau: - Dịch vụ yêu cầu cao về băng thông, chấp nhận trễ: E-mail, truyền dữ liệu. - Dịch vụ có thể chấp nhận giảm một phần băng thông, nhưng yêu cầu cao về độ trễ: Thoại (VoIP), điện thoại thấy hình, hội nghị truyền hình.
- Dịch vụ chấp nhận độ trễ lớn: IPTV, Video theo yêu cầu (VoD). - Những dịch vụ đang phát triển có yêu cầu tương tác thời gian thực như: thương mại điện tử, e-banking, giao dịch chứng khoán, trò chơi trực tuyến,. có yêu cầu chặt chẽ về băng thông, trễ, độ biến thiên trễ, thông lượng và có yêu cầu rất khác nhau về QoS.2 là yêu cầu QoS của một số ứng dụng trên mạng IP. Yêu cầu QoS của các ứng dụng thoại, video, dữ liệu [17], [49] Ứng Trễ 1 chiều Biến thiên Tỷ lệ mất gói Loại dịch vụ Thông lượng dụng (PTD) trễ (PDV) tin (PLR) G.711 80 kbps 150 ms 30 ms 0,01 Thoại G.729A 19 kbps 150 ms 30 ms Luồng audio chất 128 kbps <10 s <<1 ms <1% lượng cao Multicast TV, broadcast TV, đào 5000 ms NA 0,02 tạo từ xa Video 460 kbps (384 Hội nghị truyền Kbps +20% burst 150 ms 30 ms 0,01 hình (*) I-Frame) Dữ Theo dịch vụ chạy SLA SLA SLA SLA liệu trên kết nối (**) (*) Đối với dịch vụ hội nghị truyền hình, ITU-T [34] yêu cầu thêm tham số thời gian trễ giữa hình và tiếng (lip-synch) < 80 ms.
Do yêu cầu khác nhau về QoS của các ứng dụng, mạng hay cụ thể hơn là các nút mạng IP cần đáp ứng yêu cầu về chất lượng của nhiều ứng dụng đồng thời. Vấn đề đảm bảo QoS cho các ứng dụng QoS được đánh giá từ quan điểm của người sử dụng và của nhà cung cấp dịch vụ. Nhìn từ góc độ mạng, dịch vụ, người dùng, QoS và các tham số QoS được định nghĩa như sau: 11 Chất lượng trải nghiệm (QoE) [32]: Đối với người sử dụng, QoE là những gì mà dịch vụ cần đáp ứng. QoE đánh giá mức độ hài lòng của người sử dụng đối với dịch vụ.
QoE lấy các yếu tố người sử dụng nhận được trực tiếp làm tham số chất lượng (ví dụ thời gian chuyển kênh TV; điểm MOS (Mean Opinion Score) đối với dịch vụ thoại, IPTV). Chất lượng dịch vụ (QoS) [33]: là tập hợp các tác động của hiệu suất dịch vụ, xác định sự hài lòng của người sử dụng dịch vụ; đặc trưng bởi sự phối hợp các yếu tố hiệu suất áp dụng cho tất cả các dịch vụ như: hỗ trợ, vận hành, khả năng truy nhập, khả năng duy trì dịch vụ, tính toàn vẹn và tính bảo mật của dịch vụ.