I. Tổng Quan Về Chất Lượng Dịch Vụ Mạng Không Dây 55 Ký Tự
Với sự phát triển của Internet và viễn thông, dịch vụ giải trí đa phương tiện trên mạng ngày càng phổ biến. Các công ty có thể cung cấp nhiều gói dịch vụ mà không cần trụ sở tại quốc gia đó, ví dụ như nhắn tin, gọi điện, xem phim, nghe nhạc. Điều này đặt ra thách thức trong việc quản lý nội dung, phân phối lợi nhuận và chủ quyền trên mạng. Mạng không dây ngày càng quan trọng, chiếm tỷ lệ lớn so với mạng có dây. Truyền thông dữ liệu đa phương tiện là một vấn đề thời sự vì các loại dữ liệu như audio, video đòi hỏi các tiêu chí đa dạng về độ nén, chất lượng hình ảnh, yêu cầu chất lượng mạng. Các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện trên mạng không dây cần có các tiêu chí đánh giá khác nhau về chất lượng dịch vụ (QoS). Luận văn này tập trung nghiên cứu về QoS và sử dụng phương pháp đánh giá thông qua phần mềm mô phỏng mạng để đánh giá chất lượng dịch vụ trên các cấu hình mạng không dây khác nhau.
1.1. Giới Thiệu Chung Về Mạng Không Dây Hiện Đại
Mạng không dây là mạng máy tính hoặc điện thoại sử dụng sóng radio làm sóng truyền dẫn. Mạng này được dùng trong nhiều phạm vi khác nhau, từ hộ gia đình đến doanh nghiệp. Các cấp độ mạng không dây có thể quản lý theo nhiều cách. Mạng viễn thông 3G/4G được quản lý bởi các hãng viễn thông. Mạng Wi-Fi cần hạ tầng kết nối có dây để kết nối tới các điểm sử dụng dịch vụ. Kết nối không dây được triển khai thông qua các điểm truy cập (AP) hoặc mạng tự học (Ad hoc). Phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết về họ tiêu chuẩn IEEE 802.11, vốn dùng rộng rãi trong các mạng không dây cục bộ (Wireless LAN – WLAN).
1.2. Tiêu Chuẩn IEEE 802.11 Trong Mạng Không Dây
IEEE 802.11 là tập các chuẩn của tổ chức IEEE, gồm nhiều mô tả kỹ thuật liên quan đến hệ thống mạng không dây. Chuẩn này mô tả một giao tiếp có thể truyền qua môi trường không khí bằng cách sử dụng sóng vô tuyến để truyền và nhận tín hiệu giữa các thiết bị không dây (kiểu phi cấu trúc – Ad hoc), hoặc giữa một thiết bị không dây và điểm truy cập dịch vụ không dây (kiểu cần cơ sở hạ tầng). Các loại chính của mạng không dây là mạng có sử dụng hạ tầng (điểm truy cập AP) và mạng không sử dụng hạ tầng (mạng tự học Ad hoc). Mạng Ad hoc gồm nhiều nút mạng không dây di động, có thể tạo thành một mạng tạm thời mà không cần thiết bị trung gian. Mô hình Ad hoc phù hợp trong những điều kiện không có sẵn hạ tầng mạng.
II. Các Vấn Đề Chính Về Chất Lượng Dịch Vụ Mạng 58 Ký Tự
Hiệu suất truyền dữ liệu đa phương tiện qua các hệ thống truyền thông không dây, đảm bảo các tiêu chí chất lượng dịch vụ (QoS), luôn là một thách thức lớn. Mạng không dây không thể đảm bảo tính ổn định và chất lượng dịch vụ tốt như mạng có dây. Yếu tố không dây và sự di chuyển của các nút mạng khiến nhiều yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến việc truyền tin. Với dữ liệu đa phương tiện, nếu QoS không được đảm bảo (độ trễ nhỏ, tỷ lệ mất gói tin thấp, độ biến đổi trễ ổn định) sẽ gây ra các hiện tượng méo hình, vỡ tiếng. Do vậy, có nhiều nghiên cứu về đảm bảo QoS cho dữ liệu đa phương tiện trong mạng không dây.
2.1. Nghiên Cứu Về Đảm Bảo QoS Cho Dữ Liệu Đa Phương Tiện
Bài báo [2] nghiên cứu tầm quan trọng của truyền dữ liệu đa phương tiện với việc đảm bảo QoS cho người dùng thứ cấp. Các tham số QoS được phân tích đối với các nút di động qua mạng không dây với thuật toán định tuyến phù hợp. Nghiên cứu này bao gồm cung cấp hỗ trợ QoS hiệu quả cho việc truyền đa phương tiện với các chiến lược chuyển giao (handoff) và hiệu quả tính toán các thông số hiệu suất cũng được đánh giá với công cụ mô phỏng mạng NS-2.
2.2. Chất Lượng Trải Nghiệm QoE và Mối Liên Hệ Với QoS
Chất lượng trải nghiệm (QoE) được định nghĩa là khả năng chấp nhận tổng thể của một ứng dụng hoặc dịch vụ, theo nhận thức chủ quan của người dùng cuối. QoE có thể bị ảnh hưởng bởi kỳ vọng và bối cảnh của người dùng. Nhiều nghiên cứu cho rằng một số chỉ số về chất lượng dịch vụ (QoS) có thể tương quan với đánh giá của người dùng về truyền đa phương tiện. Nghiên cứu [3] xây dựng một framework để nghiên cứu mối quan hệ giữa các số liệu QoS và QoE cho việc truyền đa phương tiện.
2.3. Tiêu Chuẩn IEEE 802.11e và Ưu Tiên Dữ Liệu
Nghiên cứu [4] tập trung vào chuẩn IEEE 802.11e, tiêu chuẩn này đã được phát hành và tích hợp với họ tiêu chuẩn không dây IEEE 802.11 với mục tiêu đảm bảo chất lượng dịch vụ, đặc biệt với dữ liệu đa phương tiện. Tiêu chuẩn này chỉ ấn định các ưu tiên cho các loại dữ liệu khác nhau nhưng không kiểm soát việc chia sẻ băng thông giữa các luồng dữ liệu khác nhau. Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp chia sẻ băng thông theo tỷ lệ khác nhau cho các luồng dữ liệu đa phương tiện thông qua việc điều khiển động tham số cửa sổ tương tranh (Contention Window – CW).
III. Kỹ Thuật Tầng MAC Ảnh Hưởng QoS Mạng Không Dây 59 Ký Tự
Mô hình mạng TCP/IP đối với mạng có dây và không dây khác nhau ở các tầng Vật lý và phân tầng MAC. Phần này trình bày một số cơ chế hoạt động tại phân tầng MAC của tiêu chuẩn mạng không dây IEEE 802.11, để thấy được một số tham số ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ mạng không dây. Kiến trúc dựa trên hạ tầng cơ sở là chế độ thường dùng để xây dựng các điểm truy cập không dây (Wi-Fi hostpot) dựa trên một điểm truy cập mạng. Điều trở ngại với kiểu kiến trúc này là chi phí mua và cài đặt cơ sở hạ tầng.
3.1. Kiến Trúc Hạ Tầng Cơ Sở và Điểm Truy Cập Không Dây
Kiến trúc dựa trên hạ tầng cơ sở là chế độ thường dùng để xây dựng các điểm truy cập không dây (Wi-Fi hotspot) dựa trên một điểm truy cập mạng. Điều trở ngại với kiểu kiến trúc này là chi phí mua và cài đặt cơ sở hạ tầng, các chi phí loại này có thể không được chấp nhận trong các môi trường động.
3.2. Phân Tầng MAC và Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Dịch Vụ
Trong thực tế mô hình mạng TCP/IP đối với các loại hình mạng có dây (wired) và không dây (wireless) chủ yếu khác nhau ở các tầng Vật lý (chủ yếu liên quan đến thiết bị) và phân tầng MAC (liên quan đến truy cập đường truyền), do vậy phần này của luận văn sẽ trình bày một số cơ chế hoạt động tại phân tầng MAC của tiêu chuẩn mạng không dây IEEE 802.11, để từ đó thấy được một số tham số sẽ ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ mạng không dây như thế nào.
IV. Giải Pháp Đánh Giá Chất Lượng Dịch Vụ Đa Phương Tiện 57 Ký Tự
Khi Internet chưa phát triển, dữ liệu truyền trên đó chủ yếu là dữ liệu thuần túy. Việc phân biệt các dịch vụ truyền hoặc tạo ưu tiên cho các dịch vụ khác nhau là không cần thiết. Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng cơ chế Nỗ lực tối đa (BE – Best-Effort) như nhau cho mọi người dùng. Các gói tin (packet) sẽ được truyền đi theo nguyên tắc “vào trước ra trước” (FIFO – First In First Out) mà không cần chú ý đến đặc điểm lưu lượng (traffic) của các yêu cầu dịch vụ. Cách truyền tin như vậy sẽ không phù hợp với các loại hình dữ liệu mà đòi hỏi độ trễ (delay) phải càng thấp càng tốt như các dịch vụ thời gian thực (real-time) hay truyền phát video (streaming).
4.1. Cơ Chế Nỗ Lực Tối Đa Best Effort và Hạn Chế
Khi Internet chưa phát triển bùng nổ, dữ liệu truyền trên đó chủ yếu là truyền dữ liệu thuần túy như văn bản, tệp… thì việc phân biệt các dịch vụ truyền hoặc tạo ưu tiên cho các dịch vụ khác nhau là không cần thiết do tài nguyên mạng (ví dụ bang thông) là đáp ứng đủ cho yêu cầu của các ứng dụng đang sử dụng mạng, do đó các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng cơ chế Nỗ lực tối đa (BE – Best-Effort) như nhau cho mọi người dùng.
4.2. Yêu Cầu Về Độ Trễ Thấp Cho Dịch Vụ Thời Gian Thực
Các gói tin (packet) sẽ được truyền đi theo nguyên tắc “vào trước ra trước” hoặc “đến trước phục vụ trước” (FIFO – First In First Out) mà không cần chú ý đến đặc điểm lưu lượng (traffic) của các yêu cầu dịch vụ. Cách truyền tin như vậy sẽ không phù hợp với các loại hình dữ liệu mà đòi hỏi độ trễ (delay) phải càng thấp càng tốt như các dịch vụ thời gian thực (real-time) hay truyền phát video (streaming).
V. Chất Lượng Dịch Vụ QoS Trong Mạng Đa Phương Tiện 59 Ký Tự
Các dịch vụ ứng dụng để truyền và nhận các loại dữ liệu động như âm thanh (audio) hoặc video nói trên được gọi là đa phương tiện (multimedia data application). Loại dữ liệu đa phương tiện như vậy sẽ nhạy cảm với yếu tố độ trễ nhưng ngược lại, lại cho phép yếu tố tỷ lệ mất gói tin xảy ra ở một ngưỡng nào đó có thể chấp nhận được. Tính chất như vậy lại ngược lại so với các ứng dụng truyền tin văn bản, text,… truyền thống nên sẽ dẫn đến cần yêu cầu chất lượng dịch vụ khác đi. Chất lượng dịch vụ (QoS) là công nghệ để nhằm mục tiêu quản lý và ưu tiên một số loại lưu lượng dữ liệu nhất định trên mạng với mục tiêu giảm mất gói (packet loss), độ trễ (latency) và độ chập chờn (hoặc còn gọi là biến đổi độ trễ – jitter) cho một loại giao thức hoặc một kiểu lưu lượng mạng cụ thể (ví dụ như VoIP).
5.1. Ứng Dụng Đa Phương Tiện và Yêu Cầu Chất Lượng
Các dịch vụ ứng dụng để truyền và nhận các loại dữ liệu động như âm thanh (audio) hoặc video nói trên được gọi là đa phương tiện (multimedia data application). Loại dữ liệu đa phương tiện như vậy sẽ nhạy cảm với yếu tố độ trễ nhưng ngược lại, lại cho phép yếu tố tỷ lệ mất gói tin xảy ra ở một ngưỡng nào đó có thể chấp nhận được.
5.2. QoS Quản Lý và Ưu Tiên Lưu Lượng Dữ Liệu
Chất lượng dịch vụ (QoS) là công nghệ để nhằm mục tiêu quản lý và ưu tiên một số loại lưu lượng dữ liệu nhất định trên mạng với mục tiêu giảm mất gói (packet loss), độ trễ (latency) và độ chập chờn (hoặc còn gọi là biến đổi độ trễ – jitter) cho một loại giao thức hoặc một kiểu lưu lượng mạng cụ thể (ví dụ như VoIP).
VI. Tối Ưu Hóa QoS Cho Mạng Không Dây Đa Phương Tiện 58 Ký Tự
QoS kiểm soát và quản lý tài nguyên mạng bằng cách đặt các mức độ ưu tiên (priority) cho các loại dữ liệu cụ thể trên mạng. QoS tối ưu hóa mạng bằng cách quản lý băng thông, cũng như đặt mức độ ưu tiên lớn hơn cho các ứng dụng mà yêu cầu nhiều tài nguyên hơn. QoS cho phép người quản trị của hệ thống điều chỉnh cài đặt mạng, và chia nhỏ băng thông khả dụng giữa các ứng dụng. Ví dụ như trong Hình 1, có ba nhu cầu sử dụng mạng với các dịch vụ khác nhau: xem video trực tuyến, duyệt web, và chơi game trực tuyến, nếu không áp dụng các quy tắc QoS thì băng thông được chia đều cho ba nhu cầu này, dẫn đến việc sử dụng các dịch vụ này không đạt được như mong muốn, khi áp dụng các quy tắc QoS phù hợp, thì các dịch vụ như xem video trực tuyến với Netflix đòi hỏi nhiều tài nguyên hơn nên sẽ được cấp tỷ lệ băng thông nhiều hơn so với các nhu cầu truy cập Internet thông thường như duyệt web hoặc chơi game trực tuyến.
6.1. QoS Kiểm Soát và Quản Lý Tài Nguyên Mạng
QoS kiểm soát và quản lý tài nguyên mạng bằng cách đặt các mức độ ưu tiên (priority) cho các loại dữ liệu cụ thể trên mạng. QoS tối ưu hóa mạng bằng cách quản lý băng thông, cũng như đặt mức độ ưu tiên lớn hơn cho các ứng dụng mà yêu cầu nhiều tài nguyên hơn.
6.2. Ví Dụ Về Tối Ưu Hóa Băng Thông Với QoS
QoS cho phép người quản trị của hệ thống điều chỉnh cài đặt mạng, và chia nhỏ băng thông khả dụng giữa các ứng dụng. Ví dụ như trong Hình 1, có ba nhu cầu sử dụng mạng với các dịch vụ khác nhau: xem video trực tuyến, duyệt web, và chơi game trực tuyến, nếu không áp dụng các quy tắc QoS thì băng thông được chia đều cho ba nhu cầu này, dẫn đến việc sử dụng các dịch vụ này không đạt được như mong muốn.
