MỞ ĐẦU 1. Mục đích và ý nghĩa của đề tài Ngày nay trong thế giới số, trong xu hƣớng phát triển bùng nổ của thông tin, trong một thế giới phẳng, vấn đề liên lạc, thông tin đƣợc cập nhật liên tục, việc truyền tải thông tin ngày càng đƣợc quan tâm đặc biệt. Các ứng dụng thời gian thực trên Internet ngày càng đƣợc quan tâm và phát triển một cách nhanh chóng, vƣợt bâc. Vấn đề đặt ra là làm sao dữ liệu truyền đi một cách nhanh nhất, có đƣợc độ tin cậy cao nhất, tránh mất mát dữ liệu tốt nhất, giảm thiểu tối đa hiện tƣợng tắc nghẽn có thể xảy ra khi truyền tin.
Ngày nay, các ứng dụng đa phƣơng tiện đang là xu thế của công nghệ, có thể kể đến nhƣ điện thoại qua mạng (Internet telephony), hội thảo trực tuyến (video conferencing), xem video theo yêu cầu (video on demand). và đặc biệt khoảng vài năm gần đây là các ứng dụng truyền hình trực tiếp (live stream) thời gian thực đang ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi, kể đến nhƣ các ứng dụng truyền hình trực tiếp trên Youtube, Facebook, các trang live stream giải trí của VTC… Đảm bảo chất lƣợng dịch vụ (QoS) là vấn đề quan trọng nhất trong truyền thông đa phƣơng tiện. Chúng ta hiểu khái quát đảm bảo chất lƣợng dịch vụ ở đâu là: Đảm bảo độ trễ và biến động trễ (jitter) nhỏ Thông lƣợng đủ lớn Hệ số sử dụng đƣờng truyền cao Tỷ lệ mất gói tin có thể chấp nhận đƣợc ở một mức độ nhất định. Để đáp ứng đƣợc những yêu cầu đó, chúng ta cần phải tiến hành đồng thời các cơ chế điều khiển lƣu lƣợng đối với các giao thức truyền thông kiểu end-to-end (cụ thể là TCP) và những cơ chế đặc biệt thực hiện đối với mạng, cụ thể là thực hiện ở các bộ định tuyến (router).
Hiện tƣợng tắc nghẽn trong mạng xảy ra khi có quá nhiều lƣu lƣợng truyền đến, khiến các nút mạng không có đủ khả năng để phục vụ cho tất cả. Để tránh đƣợc sự tắc nghẽn trong mạng, tận dụng đƣợc tối đa băng thông của đƣờng truyền, giao thức TCP sử dụng kỹ thuật: khởi động chậm – SS, tránh tắc nghẽn – CA và giảm tốc độ phát lại các gói tin bị mất do tắc nghẽn theo cấp số nhân. Thực thể TCP bên gửi duy trì một cửa sổ gọi là cửa sổ tắc nghẽn dùng để giới hạn lƣợng dữ liệu tối đa có thể gửi đi liên tiếp ở mức không vƣợt quá kích thƣớc vùng đệm của nơi nhận khi xảy ra tắc nghẽn. Khi bị mất một gói tin, thực thể TCP bên gửi giảm kích thƣớc cửa sổ tắc nghẽn đi một nửa, nếu việc mất gói tin tiếp diễn, kích thƣớc cửa sổ tắc nghẽn lại giảm tiếp theo cách trên (cho tới khi chỉ còn bằng kích thƣớc của một gói tin).
Với những gói tin vẫn còn nằm trong cửa sổ đƣợc phép, thời gian chờ để đƣợc gửi lại sẽ đƣợc tăng lên theo hàm mũ cơ số hai sau mỗi lần phát lại. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 Trong kỹ thuật truyền thống, hàng đợi đƣợc đặt một kích thƣớc tối đa, khi các gói tin đến, sẽ đƣợc cho vào các hàng đợi đã thiết lập, khi hàng đợi đã đầy, các gói tin tiếp theo đến sẽ bị loại bỏ đến khi nào hàng đợi có chỗ (khi các gói tin trong hàng đợi đƣợc chuyển đi) thì mới đƣợc nhận tiếp vào hàng (đây là kỹ thuật FIFO hay còn gọi là FCFS). Trong bộ mô phỏng mạng NS, kỹ thuật trên đƣợc cài đặt với tên gọi là “DropTail”. Với kiểu hàng đợi truyền thống FIFO này, tình trạng hàng đợi đầy xảy ra thƣờng xuyên, dẫn đến độ trễ truyền tin lớn, tỷ lệ mất mát gói tin cao và thông lƣợng đƣờng truyền là thấp, vì thế ta cần phải có các kỹ thuật khác hiệu quả hơn, đảm bảo cho mạng đạt đƣợc mục tiêu là thông lƣợng cao và độ trễ trung bình nhỏ, AQM (Active Queue Management) là một chiến lƣợc quản lý hàng đợi động, trong đó các thực thể đầu cuối có thể phản ứng lại tắc nghẽn khi hiện tƣợng này mới chớm có dấu hiệu xuất hiện (*).
Theo đó, gateway sẽ quyết định cách thức loại bỏ sớm gói tin trong hàng đợi của nó trong khi tình trạng của mạng còn có thể kiểm soát đƣợc. Hai chiến lƣợc AQM đặc trƣng sẽ đƣợc trình bày trong luận văn là: RED (Random Early Detection of Congestion; Random Early Drop) là một chiến lƣợc AQM cơ bản, áp dụng cho mạng chuyển mạnh gói. RED thực hiện loại bỏ gói tin trong hàng đợi hoặc đánh dấu vào trƣờng ECN trong header của các gói tin TCP để báo cho bên gửi biết là sắp có tắc nghẽn xảy ra, yêu cầu nguồn giảm phát tin để tránh tràn hàng đợi. Một khuyết điểm của RED là nó đối xử công bằng với tất cả các gói tin đến.
Ƣu điểm chính của RED là tính đơn giản, không yêu cầu tất cả các gateway trên Internet cùng phải sử dụng kỹ thuật này, mà có thể triển khai dần [16]. RIO (RED with In/Out bit) là một thuật toán mở rộng của RED, kế thừa lại RED và bổ xung thêm cách phân loại các gói tin đến theo cấp độ ƣu tiên khác nhau. RIO là thuật toán AQM áp dụng cho kiến trúc mạng DiffServ, dùng để chuyển tiếp có phân loại các gói tin [9]. Mục tiêu chính của Luận văn là tập trung nghiên cứu và đánh giá các kế hoạch quản lý hàng đợi động cho truyền thông đa phƣơng tiện, nhằm đảm bảo chất lƣợng dịch vụ QoS.
Nghiên cứu, đánh giá và so sánh giữa các chiến lƣợc quản lý hàng đợi động cho truyền thông đa phƣơng tiện, đánh giá sự ảnh hƣởng của các luồng lƣu lƣợng đột biết tác động lên các luồng có sẵn trong mạng, đánh giá vai trò đảm bảo chất lƣợng dịch vụ của mô hình mạng DiffServ, áp dụng chiến lƣợc quản lý hàng đợi động RIO vào mô hình DiffServ. Với mục tiêu trên, với sự giúp đỡ của thầy PGS.TS Nguyễn Đình Việt, tôi đã dành thời tìm hiểu, nghiên cứu, mô phỏng, đánh giá các thuật toán quản lý hàng đợi động AQM dùng trong mạng truyền thống là RED và mở rộng của nó là A-RED. Sau đó với mô hình mạng DiffServ, mô hình mạng có phân loại các luồng dữ liệu đến tôi đã tìm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 16 hiểu và nghiên cứu về RIO một thuật toán mở rộng của RED. Để cuối cùng áp dụng RIO vào DiffServ tiến hành mô phỏng và đánh giá nó hƣớng đến kết luận của mục tiêu đề ra.
Luận Văn với đề tài “CÁC KẾ HOẠCH QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI ĐỘNG CHO TRUYỀN THÔNG ĐA PHƢƠNG TIỆN” của tôi sẽ đƣợc chia thành các mục chính nhƣ trình bày dƣới đây: 2. Cấu trúc các chƣơng Xuất phát từ những mục đích trên Luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về Mạng Internet và các dịch vụ. Giới thiệu về truyền thông đa phƣơng tiện trên mạng, khái niệm QoS, các phƣơng pháp đảm bảo chất lƣợng dịch vụ trong truyền thông đa phƣơng tiện. Các khái niệm về hiệu năng và các độ đo, các phƣơng pháp đánh giá hiệu năng mạng, giới thiệu sơ lƣợc về bộ mô phỏng NS2.35 mà chúng tôi sẽ dùng để mô phỏng và đánh giá trong luận văn.
Chƣơng 2: Trình bày về các chiến lƣợc quản lý hàng đợi động trên kiến trúc mạng truyền thống: RED, A-RED. Mỗi chiến lƣợc đều có mô phỏng (thông qua bộ mô phỏng NS2) và kết quả mô phỏng đi kèm. Chƣơng 3: Trình bày về các chiến lƣợc quản lý hàng đợi động trong kiến trúc mạng DiffServ, hƣớng đến mục tiêu nhằm đảm bảo chất lƣợng dịch vụ QoS. Tổng quan về DiffServ và trình bày chiến lƣợc đặc trƣng là RIO, RIO là một thuật toán kế thừa RED và có thêm chức năng xử lý các gói ti đến theo mức độ ƣu tiên khác nhau.
Áp dụng RIO vào mạng DiffServ, đánh giá so sánh giữa RIO và RED, nghiên cứu và đánh giá vai trò đảm bảo dịch vụ trong truyền thông đa phƣơng tiện của mô hình DiffServ kết hợp với thuật toán quản lý hàng đợi động RIO, sự ảnh hƣởng của các luồng lƣu lƣợng ƣu tiên và không ƣu tiên gây ra trong mạng (Sử dụng bộ mô phỏng NS2). Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 17 CHƢƠNG 1.1 Mạng Internet và giao thức TCP/IP 1.1 Mạng Internet [7] Tiền thân của mạng Internet là ARPANET, xuất phát từ một mạng thí nghiệm đƣợc Robert L. Cơ quan quản lý dự án nghiên cứu phát triển ARPA thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ đã liên kết mạng tại 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1968 bao gồm: Viện nghiên cứu Stanford, Đại học tổng hợp California ở Los Angeles, Đại học tổng hợp Utah và Đại học tổng hợp California ở Santa Barbara (UCSB).
Đó chính là mạng liên khu vực (WAN) đầu tiên đƣợc xây dựng. Thuật ngữ "Internet" xuất hiện lần đầu vào khoảng năm 1974. Lúc đó mạng vẫn đƣợc gọi là ARPANET. Năm 1983, giao thức TCP/IP chính thức đƣợc coi nhƣ một chuẩn đối với ngành quân sự Mỹ và tất cả các máy tính nối với ARPANET phải sử dụng chuẩn mới này.
Năm 1984, ARPANET đƣợc chia ra thành hai phần: phần thứ nhất vẫn đƣợc gọi là ARPANET, dành cho việc nghiên cứu và phát triển; phần thứ hai đƣợc gọi là MILNET, là mạng dùng cho các mục đích quân sự. Giao thức TCP/IP ngày càng thể hiện rõ các điểm mạnh của nó, quan trọng nhất là khả năng liên kết các mạng khác với nhau một cách dễ dàng. Chính điều này cùng với các chính sách mở cửa đã cho phép các mạng dùng cho nghiên cứu và thƣơng mại kết nối đƣợc với ARPANET, thúc đẩy việc tạo ra một siêu mạng (SuperNetwork). Năm 1980, ARPANET đƣợc đánh giá là mạng trụ cột của Internet.
Mốc lịch sử quan trọng của Internet đƣợc xác lập vào giữa thập niên 1980 khi tổ chức khoa học quốc gia Mỹ NSF thành lập mạng liên kết các trung tâm máy tính lớn với nhau gọi là NSFNET. Nhiều doanh nghiệp đã chuyển từ ARPANET sang NSFNET và do đó sau gần 20 năm hoạt động, ARPANET không còn hiệu quả đã ngừng hoạt động vào khoảng năm 1990. Sự hình thành mạng xƣơng sống của NSFNET và những mạng vùng khác đã tạo ra một môi trƣờng thuận lợi cho sự phát triển của Internet. Tới năm 1995, NSFNET thu lại thành một mạng nghiên cứu còn Internet thì vẫn tiếp tục phát triển.
Với khả năng kết nối mở nhƣ vậy, Internet đã trở thành một mạng lớn nhất trên thế giới, mạng của các mạng, xuất hiện trong mọi lĩnh vực thƣơng mại, chính trị, quân sự, nghiên cứu, giáo dục, văn hoá, xã hội.