Chương 1 Một số hướng tiếp cận nâng cao QoS trong mạng NGN 1.1 Mạng thế hệ mới Ngày nay, mạng máy tính đã trở thành cơ sở hạ tầng quan trọng của nền kinh tế và làm thay đổi mạnh mẽ cuộc sống. Xuất phát từ mạng di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications-GSM) từ đầu những năm 1990 với các dịch vụ cơ bản là thoại, SMS và truyền số liệu tốc độ thấp. Cùng với sự phát triển của công nghệ truy cập là sự tăng trưởng của các dịch vụ đa phương tiện và nội dung số trên nền IP như: VoIP (Voice over IP ), truyền hình theo yêu cầu (Video- On-Demand -VOD), hội nghị truyền hình (Video Conferencing),.Đứng trước sự phát triển của mạng viễn thông, sự đa dạng của yêu cầu về các dịch vụ được cung cấp đã thúc đẩy xu hướng cho sự hội tụ và sự ra đời của mạng thế hệ mới (Next Generation Network -NGN). Tuy nhiên, mỗi tổ chức chuẩn hóa (như Liên minh viễn thông quốc tế (ITU-T1 ), Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI2 ), Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet (IETF3 ).
) lại tiếp cận vấn đề hội tụ từ theo một khía cạnh riêng. ITU-T tiếp cận vấn đề mạng NGN từ khía cạnh mạng PSTN/ISDN (Public Switched Telephone Network/Integrated Services Digital Network ), IETF tiếp cận từ khía cạnh mạng Internet, trong khi ETSI tiếp cận vấn đề từ khía cạnh mạng di động 3G [38, 49]. Nhìn chung tiếp cận vấn đề hội tụ mạng từ khía cạnh nào đi nữa thì đều xây dựng mạng NGN từ các mạng và công nghệ hiện có. ITU-T định nghĩa: Mạng NGN dựa trên nền gói có thể cung cấp các dịch vụ truyền thông và có thể tận dụng được các dải băng tần rộng, các công nghệ truyền tải với QoS cho phép và ở đó các chức năng liên quan đến dịch vụ sẽ độc lập với các công nghệ truyền tải ở lớp dưới.
Mạng NGN cho phép người dùng truy nhập không hạn chế tới các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông khác nhau, hỗ trợ tính lưu động nói chung để có thể cung cấp dịch vụ thích hợp và rộng khắp tới các người dùng [47]. Như vậy, NGN là mạng đa dịch vụ dựa trên nền IP cho phép đáp ứng các dịch vụ cá nhân, quản lý thông tin hiệu quả, dễ dàng mở rộng dung lượng, 1 International Telecommunication Union 2 European Telecommunications Standards Institute 3 Internet Engineering Task Force 6 z phát triển các dịch vụ mới theo thời gian thực và đa phương tiện, đảm bảo độ tin cậy, thuận tiện và dễ sử dụng. Tuy nhiên, mỗi tổ chức chuẩn hóa lại tiếp cận theo một cách riêng khi xây dựng kiến trúc mạng NGN. ITU-T xây dựng mạng NGN dựa trên tiêu chí: tách biệt giữa dịch vụ và truyền tải, cá nhân hóa và tính di động của các thiết bị đầu cuối, đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông đa dạng, kiểm soát và điều khiển tốt tài nguyên, nâng cao hiệu quả sử dụng mạng lưới, giảm chi phí khai thác, bảo dưỡng, dễ dàng nâng cấp dung lượng, phát triển dịch vụ mới, tăng khả năng bảo mật, đáp ứng mọi lúc, mọi nơi trên các môi trường khác nhau thông qua các thiết bị đầu cuối tương thích.
Kiến trúc mạng NGN được phân lớp thành 2 tầng dịch vụ và truyền tải [47]. Mỗi tầng gồm chức năng quản lý, điều khiển và các tài nguyên (xem Hình 1.1: Kiến trúc mạng NGN của ITU-T Y.2012 Tầng truyền tải kết nối các thành phần trong mạng được chia thành mạng lõi và mạng truy nhập có khả năng cung cấp QoS hoàn chỉnh gồm chức năng truy nhập mạng (Access Functions-AF), truyền tải truy nhập (Access Transport Func- tions-ATF), chức năng biên (Edge Functions-EF), truyền tải lõi (Core Transport Functions-CTF). Các kỹ thuật QoS xử lý trực tiếp lưu lượng người sử dụng của CTF gồm quản lý bộ đệm, xếp hàng, lập lịch, lọc gói, phân loại lưu lượng, đánh dấu và thiết lập chính sách, điều khiển cổng và firewall. Chức năng điều khiển gắn kết mạng (Network Attachment Control Functions-NACF) cho phép đăng ký định danh/xác thực người dùng cuối để truy nhập các dịch vụ, quản lý không gian địa chỉ IP.
Chức năng điều khiển tài nguyên (Resource and Admission Con- trol Functions-RACF) tương tác với lớp truyền tải để điều khiển lọc gói, phân loại lưu lượng, đánh dấu, dành trước và cấp phát băng thông, chống giả mạo địa chỉ, tính cước sử dụng. Chức năng quản lý profile người dùng (Transport User Profile Functions-TUPF) xử lý các hoạt động của người dùng ở tầng chuyển tải và lưu trữ trong “profile”. Chức năng cổng (Gateway) tạo khả năng tương tác với các mạng khác khác nhau, giao diện NNI (Network-Network Interface) cho phép tương tác trực tiếp giữa lớp điều khiển và truyền tải hay thông qua CTF. Tầng 7 z dịch vụ có chức năng điều khiển và dịch vụ (Service and Control ) cho phép quản lý, đăng ký, xác thực và cấp phép tại mức dịch vụ thông qua profile người dùng ở mức dịch vụ.
Chức năng ứng dụng hỗ trợ các giao diện API mở, cho phép bên thứ ba phát triển các dịch vụ mới. Các chức năng quản lý hỗ trợ cung cấp các dịch vụ với chất lượng, mức độ tin cậy và độ an toàn theo mong muốn thông qua các phần tử chức năng quản lý mạng và dịch vụ. Chức năng người dùng cung cấp giao diện với người dùng đầu cuối gồm cả giao diện vật lý và điều khiển đối với tất cả các loại thiết bị từ cố định đến di động nhưng không có hạn chế về giao diện từ lớp truy nhập với lớp mạng. ETSI tiếp cận xây dựng mạng hội tụ kế thừa từ mạng PSTN, ISDN, Internet, PLMN (Public Land Mobile Network ) bằng cách thêm các phân hệ, giao thức mới bổ sung cho các dịch vụ đa phương tiện [38].
Phân hệ IMS nằm giữa và liên kết các lớp chuyển tải và lớp dịch vụ. Các mạng riêng rẽ được kết hợp thành một mạng chung duy nhất với công nghệ truyền tải trên nền IP. Nhờ điều này mà nhà cung cấp dịch vụ mới có thể cung cấp dịch vụ đa phương tiện kết hợp cả tất cả các loại hình truyền thông thời gian thực (như thoại, video, audio,.) với loại hình truyền thông dữ liệu. Theo IETF, cấu trúc mạng NGN sử dụng giao thức IP có khả năng truyền tải với các phương thức truy nhập và giao thức kết nối khác nhau [49].
Với mạng truy nhập trung gian, IETF có IP trên mạng truyền tải hữu tuyến và vô tuyến. Đối với mạng đường trục, IETF có 2 giao thức là IP trên ATM (Asynchronous Transfer Mode) và IP với giao thức điểm- điểm với mạng cáp quang phân cấp đồng bộ SONET/SDH (Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy). Mô hình IP trên ATM xem IP như một lớp trên lớp ATM và định nghĩa các mạng con IP trên nền mạng ATM. Cách tiếp cận này cho phép IP và ATM hoạt động với nhau mà không cần thay đổi giao thức.
Tuy nhiên phương thức này không tận dụng hết khả năng của ATM và không thích hợp với mạng nhiều router vì hiệu quả không cao. IETF cũng là tổ chức đưa ra nhiều tiêu chuẩn về công nghệ MPLS được phát triển từ IP Switching sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn để truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP. Diễn đàn về chuyển mạch đa dịch vụ (MSF4 ) đưa ra mô hình cấu trúc mạng chuyển mạch đa dịch vụ bao gồm: lớp thích ứng, lớp chuyển mạch, lớp điều khiển, lớp ứng dụng và lớp quản lý đặc biệt liên quan đến 3 lớp thích ứng, chuyển mạch và điều khiển. Cấu trúc chuyển mạch đa dịch vụ của MSF được xây dựng dựa trên quan điểm lớp quản lý là một lớp đặc biệt xuyên suốt các lớp thích ứng chuyển mạch và điều khiển, phân biệt chức năng quản lý với chức năng điều khiển, lớp điều khiển có nhiệm vụ kết nối để cung cấp các dịch vụ thông suốt từ đầu cuối tới đầu cuối với bất cứ loại giao thức và báo hiệu nào.
Hiệp hội nghiên cứu cấu trúc mạng viễn thông (TINA5 ) đề xuất cấu trúc mạng NGN gồm lớp truy nhập, truyền dẫn và chuyển mạch, lớp điều khiển và quản lý. Các kết quả nghiên cứu của TINA tập trung vào lớp điều khiển và quản lý [49]. 4 Multiservice Switch Forum 5 Telecommunication Information Network Architecture consortium 8 z 1.2 Chất lượng dịch vụ Chất lượng dịch vụ (QoS) [70] là một khái niệm rộng được tiếp cận theo nhiều hướng khác nhau. Theo ITU-T: QoS là tập hợp các khía cạch của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thỏa mãn của người sử dụng đối với dịch vụ [48].
Trong khi IETF nhìn nhận: QoS là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đối với các kiểu luồng lưu lượng, QoS bao gồm cả việc phân loại các dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ [38]. Như vậy, QoS được nhìn nhận từ hai khía cạnh người sử dụng dịch vụ và nhà cung cấp dịch vụ. Khuyến nghị ITU-T G.1000 định nghĩa QoS với 4 góc độ: - Yêu cầu QoS của khách hàng: là các yêu cầu riêng lẻ trên từng phần của dịch vụ được thể hiện bằng ngôn ngữ phi đặc tả. - QoS được cung cấp bởi nhà cung cấp dịch vụ: là những cam kết dự kiến sẽ cung cấp cho khách hàng thể hiện bằng giá trị được gán cho các tham số QoS dựa trên mức cam kết dịch vụ SLA.
Mỗi dịch vụ sẽ có một tập tham số QoS đáp ứng yêu cầu của khách hàng trong điều kiện hiện có của nhà cung cấp được đánh giá qua các tài liệu phân tích, đo lường cơ sở hạ tầng mạng. - QoS được đề xuất bởi nhà cung cấp dịch vụ: là cam kết về mức độ chất lượng thực tế đối với cho khách hàng thể hiện bằng giá trị được gán cho các tham số quy định đối với QoS được cung cấp để khách hàng có thể so sánh, xác định mức độ hiệu suất đạt được. - QoS được cảm nhận bởi khách hàng: phần lớn được đánh giá một cách chủ quan dựa vào QoS đầu cuối như hiệu quả sử dụng, độ an toàn, tốc độ.theo quan điểm của riêng mình không cần quan tâm đến thiết kế mạng. Như vậy, người dùng đánh giá QoS dựa trên sự phản hồi khả năng đáp ứng dịch vụ theo yêu cầu của mình được đáp ứng.
Còn nhà cung cấp đánh giá QoS dựa trên mức độ cam kết dịch vụ SLA.1 Các tham số phản ánh chất lượng dịch vụ Yêu cầu QoS của ứng dụng được biểu diễn bằng một tập các tham số đo được gồm băng thông, độ trễ, rung pha, xác xuất mất gói để tính toán QoS tùy theo từng mạng và ứng dụng.