Tổng quan nghiên cứu

Lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu đang chứng kiến mức tăng trưởng bùng nổ, dự kiến tăng gấp 3,95 lần trong giai đoạn 2023 - 2027 và số lượng thiết bị kết nối đạt trên 18,22 tỷ máy trên toàn cầu. Trước sự gia tăng nhanh chóng này, hạ tầng mạng lõi viễn thông truyền thống chạy trên các thiết bị phần cứng chuyên dụng độc quyền đã bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng: chi phí đầu tư thiết bị ban đầu quá cao, chi phí vận hành tốn kém, khả năng mở rộng kém linh hoạt và tiềm ẩn nguy cơ gián đoạn dịch vụ khi nâng cấp. Đặc biệt, đối với các nhà khai thác viễn thông di động, yêu cầu về độ sẵn sàng của hệ thống luôn phải đạt tiêu chuẩn khắt khe ở mức 99,999%.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cấp thiết trên bằng cách xây dựng giải pháp ảo hóa nút mạng Serving Gateway trong mạng lõi 4G LTE dựa trên nền tảng điện toán đám mây theo mô hình dịch vụ mạng ảo. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là phân tách kiến trúc nút mạng thành hai phân hệ độc lập gồm mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu người dùng, đồng thời tích hợp vào khung quản lý và điều phối chuẩn quốc tế. Nghiên cứu được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong năm 2023, cung cấp phương án triển khai thực nghiệm toàn diện trên môi trường đám mây mã nguồn mở. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm thiểu thời gian khởi tạo dịch vụ từ nhiều tuần xuống dưới 60 giây, tiết kiệm khoảng 40% chi phí phần cứng và tối ưu hóa hiệu suất xử lý tải mạng di động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng 2 khung lý thuyết cốt lõi trong ngành công nghệ thông tin và viễn thông hiện đại. Thứ nhất là mô hình ảo hóa chức năng mạng do Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu ban hành theo tài liệu chuẩn ETSI GR NFV 003, xác định rõ cấu trúc hạ tầng ảo hóa và hệ thống quản lý điều phối tập trung. Thứ hai là mô hình điện toán đám mây theo định nghĩa của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ NIST với 5 đặc tính cơ bản: tự phục vụ theo yêu cầu, truy cập mạng rộng rãi, dùng chung tài nguyên, co giãn nhanh chóng và đo lường định lượng dịch vụ.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được tích hợp chặt chẽ bao gồm:

  1. Chức năng mạng ảo hóa: Chuyển đổi các chức năng mạng chuyên dụng thành phần mềm chạy trên máy ảo tiêu chuẩn.
  2. Quản lý và điều phối chức năng mạng: Hệ thống kiểm soát toàn diện vòng đời VNF, phân bổ tài nguyên tính toán và lưu trữ.
  3. Đặc tả cấu trúc liên kết và phối hợp cho ứng dụng đám mây: Chuẩn OASIS TOSCA cùng định dạng lưu trữ CSAR nhằm tự động hóa quy trình triển khai dịch vụ mạng.
  4. Giao thức điều khiển mặt phẳng chuyển tiếp PFCP: Chuẩn giao tiếp trên giao diện Sxa nhằm phân tách rành mạch giữa phân hệ điều khiển SGW-CP và phân hệ dữ liệu SGW-U.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm định lượng kết hợp phân tích tài liệu chuyên sâu. Bộ dữ liệu thử nghiệm được xây dựng từ 5 kịch bản tải lưu lượng khác nhau, bao phủ từ 1.000 đến 50.000 phiên kết nối đồng thời của thiết bị người dùng. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu phân tầng theo mức tải thực tế nhằm đánh giá toàn diện hành vi của hệ thống ở cả trạng thái bình thường và trạng thái quá tải cục bộ.

Lý do lựa chọn phương pháp thực nghiệm trên mô hình lab thực tế là nhằm đo lường trực tiếp các thông số kỹ thuật then chốt mà mô phỏng lý thuyết không thể phản ánh chính xác, bao gồm độ trễ mili-giây, thông lượng xử lý gói tin và tỷ lệ chiếm dụng tài nguyên phần cứng. Hệ thống thử nghiệm được thiết lập trên cụm máy chủ vật lý cài đặt nền tảng đám mây OpenStack kết hợp bộ công cụ tăng tốc xử lý dữ liệu DPDK. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu, cấu hình kiểm thử và đánh giá hiệu năng được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 6 tháng, từ tháng 11 năm 2022 đến tháng 5 năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình triển khai thực nghiệm giải pháp nút mạng SGW ảo hóa dưới dạng dịch vụ đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, thời gian đáp ứng trên các giao diện báo hiệu chính ghi nhận sự cải thiện rõ rệt. Trên giao diện S11 kết nối với MME và giao diện S5 kết nối với PGW, thời gian phản hồi trung bình của hệ thống SGW ảo hóa chỉ dao động từ 8,2 ms đến 11,6 ms, nhanh hơn khoảng 15% so với hệ thống phần cứng truyền thống khi chịu cùng mức tải 30.000 phiên kết nối.

Thứ hai, mức tiêu thụ CPU của các phân hệ chức năng duy trì ở trạng thái tối ưu. Khi lưu lượng phiên người dùng tăng dần từ 10.000 lên 40.000 phiên, mức sử dụng CPU trên giao diện điều khiển Sxa tăng từ 28% lên 59%, trong khi CPU của mặt phẳng dữ liệu SGW-U duy trì ổn định dưới 65% nhờ sự hỗ trợ đắc lực của công nghệ DPDK trong việc giảm tải cho nhân hệ điều hành.

Thứ ba, cơ chế tự động mở rộng quy mô hoạt động với độ chính xác cao. Khi kích hoạt chính sách tự động mở rộng lúc tải CPU vượt ngưỡng 80%, hệ thống MANO đã khởi tạo thêm máy ảo phụ trợ chỉ trong thời gian từ 45 đến 55 giây, giúp san tải tức thì và hạ mức sử dụng CPU của VNF gốc xuống còn 48%, bảo đảm không làm gián đoạn bất kỳ phiên truyền dữ liệu nào.

Thứ tư, tính sẵn sàng cao và khả năng phục hồi sau sự cố đạt kết quả vượt trội. Thời gian chuyển đổi dự phòng IP ảo giữa nút chủ động và nút dự phòng diễn ra trong khoảng 180 ms, bảo toàn nguyên vẹn 100% ngữ cảnh phiên làm việc của thuê bao di động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của hệ thống là nhờ kiến trúc module hóa linh hoạt và cơ chế phân tách mặt phẳng điều khiển và dữ liệu. Việc ứng dụng công nghệ DPDK giúp chuyển luồng gói tin trực tiếp từ giao diện mạng lên không gian người dùng mà không cần đi qua ngăn xếp mạng phức tạp của hệ điều hành Linux, từ đó giảm thiểu 35% chi phí xử lý chuyển mạch gói. So với các giải pháp ảo hóa nguyên khối trong một số báo cáo quốc tế trước đây vốn mất từ 3 đến 5 phút để mở rộng quy mô, mô hình đề xuất trong luận văn đã rút ngắn thời gian xử lý xuống dưới 1 phút nhờ quy trình tự động hóa bằng mẫu thiết kế TOSCA.

Các dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu được tổng hợp và trình bày trực quan thông qua 4 bảng so sánh hiệu năng chi tiết và 6 biểu đồ phân tích tương quan. Bảng dữ liệu đối chiếu trực tiếp thời gian trễ đáp ứng giữa SGW vật lý và SGW ảo hóa theo từng mức tải, trong khi các biểu đồ đường thể hiện rõ xu hướng tăng trưởng tuyến tính của mức tiêu thụ CPU và năng lực giải phóng tài nguyên khi tiến hành co giãn hệ thống máy ảo.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, tác giả đưa ra 4 khuyến nghị then chốt nhằm thúc đẩy việc ứng dụng công nghệ ảo hóa mạng viễn thông:

  1. Tối ưu hóa hạ tầng máy chủ ảo hóa bằng cách kích hoạt toàn diện các công nghệ tăng tốc phần cứng như SR-IOV và DPDK trên toàn bộ cụm máy chủ OpenStack; mục tiêu giảm thêm 20% độ trễ xử lý gói tin và nâng thông lượng truyền dẫn lên trên 40 Gbps; hoàn thành trong quý 4 năm 2024; do Đội ngũ Kỹ sư Hạ tầng Điện toán Đám mây chịu trách nhiệm triển khai.
  2. Hoàn thiện bộ mô tả dịch vụ mạng dựa trên chuẩn TOSCA và nâng cấp kịch bản tự động hóa MANO; thiết lập ngưỡng cảnh báo co giãn tài nguyên linh hoạt tại mức 70% CPU nhằm duy trì thời gian khởi tạo máy ảo mới dưới 30 giây; áp dụng thử nghiệm trong vòng 6 tháng tới; do Bộ phận Quản trị và Tự động hóa Mạng chủ trì.
  3. Mở rộng thử nghiệm mô hình kiến trúc phân tách mặt phẳng sang mạng lõi 5G thế hệ mới; tích hợp giao thức PFCP mở rộng để phục vụ chuyển đổi các thực thể chức năng SMF và UPF; mục tiêu nâng dung lượng phục vụ lên 100.000 thuê bao đồng thời; thực hiện trong giai đoạn 2024 - 2025; do Khối Nghiên cứu và Phát triển Viễn thông đảm nhiệm.
  4. Thiết lập hệ thống giám sát và đo lường thời gian thực dựa trên các module Ceilometer và Prometheus; đảm bảo tỷ lệ phát hiện lỗi phần cứng và cảnh báo nghẽn mạng đạt mức 99,9%; thời gian khắc phục sự cố tự động dưới 3 phút; đưa vào vận hành ngay trong năm 2024; do Nhóm Vận hành Trung tâm Mạng lưới (NOC) phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn là nguồn tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

  1. Kỹ sư thiết kế và tối ưu hóa mạng lõi viễn thông: Vận dụng chi tiết quy trình phân tách mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng, cấu hình các giao diện kết nối S11, S5, Sxa để chuyển đổi hệ thống mạng EPC truyền thống sang mạng ảo hóa.
  2. Kiến trúc sư điện toán đám mây và kỹ sư DevOps viễn thông: Khai thác phương pháp thiết kế hạ tầng OpenStack, lập trình kịch bản tự động hóa vòng đời VNF thông qua mẫu TOSCA và tệp CSAR nhằm tối ưu quy trình triển khai dịch vụ.
  3. Cán bộ quản lý hạ tầng và hoạch định chiến lược công nghệ tại các doanh nghiệp viễn thông: Tham khảo số liệu phân tích định lượng về hiệu năng và chi phí để xây dựng lộ trình đầu tư hiện đại hóa mạng lưới, cắt giảm chi phí vận hành và nâng cao chỉ số chất lượng dịch vụ SLA.
  4. Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông và Mạng máy tính: Sử dụng làm tài liệu học tập, nghiên cứu chuyên sâu về kiến trúc NFV-MANO, làm cơ sở để phát triển các đề tài mở rộng sang mạng 5G Standalone và tính toán biên.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình SGW ảo hóa dưới dạng dịch vụ mang lại ưu thế gì vượt trội so với SGW truyền thống? Mô hình này giúp nhà mạng linh hoạt tăng giảm tài nguyên máy tính theo nhu cầu thực tế mà không cần thay thế phần cứng vật lý, rút ngắn thời gian triển khai từ nhiều tuần xuống dưới 60 giây và tiết kiệm khoảng 40% chi phí đầu tư thiết bị.

Công nghệ DPDK đóng vai trò then chốt như thế nào trong giải pháp ảo hóa nút mạng? DPDK cho phép chuyển tiếp gói tin trực tiếp từ giao diện mạng tới ứng dụng trong không gian người dùng, bỏ qua xử lý ngắt phức tạp của nhân hệ điều hành. Nhờ đó, hiệu năng chuyển mạch gói tăng gấp 3 đến 4 lần và giảm tải đáng kể cho CPU.

Hệ thống MANO thực hiện quản lý vòng đời chức năng mạng ảo ra sao? MANO tiếp nhận mô tả từ tệp mẫu TOSCA, tự động tương tác với OpenStack để khởi tạo máy ảo, cấu hình địa chỉ IP, theo dõi thông số hiệu năng và kích hoạt cơ chế mở rộng máy ảo tự động chỉ trong vòng 45 đến 55 giây khi phát hiện quá tải.

Tại sao cần phân tách mặt phẳng điều khiển SGW-CP và mặt phẳng người dùng SGW-U? Mặt phẳng điều khiển đòi hỏi độ trễ xử lý thấp cho các bản tin báo hiệu, trong khi mặt phẳng người dùng yêu cầu thông lượng băng thông cực cao. Phân tách ranh giới độc lập qua giao thức PFCP giúp tối ưu hóa tài nguyên phần cứng riêng biệt cho từng tác vụ.

Nền tảng OpenStack đáp ứng các tiêu chuẩn dịch vụ mạng viễn thông như thế nào? OpenStack cung cấp đầy đủ các thành phần quản lý tính toán Nova, mạng Neutron và lưu trữ Cinder, hỗ trợ cấu hình mạng riêng ảo cô lập, tính sẵn sàng cao với cơ chế chuyển đổi dự phòng dưới 200 ms và khả năng mở rộng hàng nghìn máy ảo.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế thành công mô hình nút mạng Serving Gateway ảo hóa dưới dạng dịch vụ trên nền tảng điện toán đám mây tuân thủ đầy đủ tiêu chuẩn NFV-MANO của ETSI.
  • Giải pháp phân tách độc lập mặt phẳng điều khiển SGW-CP và mặt phẳng người dùng SGW-U giúp nâng cao tính linh hoạt và tối ưu hóa tài nguyên phần cứng máy chủ.
  • Kết quả thực nghiệm khẳng định thời gian đáp ứng trên giao diện S11 duy trì ở mức 8,2 ms đến 11,6 ms và thời gian tự động mở rộng quy mô khi tải cao diễn ra dưới 55 giây.
  • Đề tài đóng góp phương pháp luận và mô hình kỹ thuật hoàn chỉnh cho việc chuyển đổi mạng lõi 4G LTE truyền thống sang hạ tầng đám mây mở.
  • Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung tối ưu hóa thông lượng dữ liệu với công nghệ ảo hóa container và mở rộng tích hợp cho mạng lõi 5G Standalone trong giai đoạn 2024 - 2025. Các tổ chức và doanh nghiệp viễn thông quan tâm có thể khai thác trực tiếp mô hình này để nâng cấp hạ tầng mạng di động hiện đại.