Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các dịch vụ truyền thông đa phương tiện như truyền hình giao thức Internet IPTV, xem video theo yêu cầu VoD, hội nghị truyền hình trực tuyến và thoại qua giao thức IP VoIP đã tạo ra áp lực lưu lượng khổng lồ lên hạ tầng mạng đô thị MAN-E với mức tăng trưởng băng thông ước tính hơn 35% mỗi năm. Mạng IP truyền thống vận hành dựa trên cơ chế nỗ lực tối đa Best-Effort và thuật toán tìm đường ngắn nhất IGP, dẫn đến tình trạng mất cân bằng tải trầm trọng: một số liên kết trọng yếu bị nghẽn cục bộ đạt ngưỡng 100% dung lượng trong khi các tuyến dự phòng song song chỉ khai thác dưới 20%.

Đề tài tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Làm thế nào để điều khiển lưu lượng chủ động và bảo đảm chất lượng dịch vụ QoS trên mạng MAN-E của Viễn thông Hậu Giang mà không cần gia tăng chi phí đầu tư thiết bị phần cứng mới. Mục tiêu cụ thể của công trình là nghiên cứu ứng dụng công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức kết hợp kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS-TE cùng mô hình dịch vụ phân biệt QoS DiffServ, từ đó xây dựng giải pháp tối ưu hóa mạng lõi MAN-E.

Phạm vi nghiên cứu được triển khai trên không gian mạng MAN-E tỉnh Hậu Giang giai đoạn năm 2015 đến năm 2016, tập trung vào chế độ truyền multicast và định tuyến lưu lượng IPv4 qua các trung tâm viễn thông thị xã Long Mỹ, Vị Thanh, Phụng Hiệp. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua các chỉ số định lượng: nâng cao hiệu suất khai thác tài nguyên đường trục lên hơn 85%, rút ngắn thời gian hội tụ và chuyển mạch bảo vệ khi có sự cố xuống dưới 50ms, đồng thời bảo đảm độ trễ một chiều cho dịch vụ thoại thời gian thực dưới 150ms theo đúng tiêu chuẩn ITU-T G.114.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của luận văn được xây dựng trên nền tảng tích hợp 3 trụ cột công nghệ mạng viễn thông hiện đại:

Thứ nhất là công nghệ Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS (chuẩn hóa theo RFC 3031). MPLS tách biệt hoàn toàn mặt phẳng điều khiển Control Plane và mặt phẳng dữ liệu Data Plane, sử dụng tiêu đề nhãn 32 bit bao gồm 20 bit nhãn Label, 3 bit trường thử nghiệm EXP quy định mức ưu tiên dịch vụ CoS, 1 bit cờ ngăn xếp S và 8 bit trường thời gian sống TTL. Cơ chế này loại bỏ quá trình tra cứu bảng định tuyến phức tạp tại từng chặng, thay thế bằng việc hoán đổi nhãn nhanh thông qua bảng chuyển tiếp nhãn LFIB.

Thứ hai là Kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS-TE (RFC 3209). MPLS-TE mở rộng các giao thức định tuyến trạng thái liên kết OSPF-TE để thu thập thông tin tài nguyên băng thông khả dụng, sử dụng thuật toán tìm đường ngắn nhất có ràng buộc CSPF để tính toán tuyến truyền dẫn tối ưu và giao thức bảo lưu tài nguyên RSVP-TE nhằm thiết lập các đường hầm lưu lượng Explicit LSP.

Thứ ba là Mô hình chất lượng dịch vụ phân biệt QoS DiffServ (RFC 2474 và RFC 2475). Luồng thông tin được phân loại tại bộ định tuyến biên Edge LSR thông qua trường mã điểm dịch vụ DSCP 6 bit để ánh xạ vào các lớp chuyển tiếp: Chuyển tiếp nhanh EF dành cho thoại thời gian thực, Chuyển tiếp bảo đảm AF gồm 4 lớp với 3 mức độ loại bỏ gói khác nhau, và Chuyển tiếp nỗ lực tối đa BE. Các thuật toán quản lý hàng đợi như loại bỏ gói sớm theo trọng số WRED và hàng đợi công bằng theo trọng số dựa trên phân lớp CBWFQ được thiết lập tại từng giao diện để kiểm soát tắc nghẽn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được thu thập trực tiếp từ sơ đồ cấu hình, tham số vận hành và hiện trạng lưu lượng thực tế tại các trạm chuyển mạch của VNPT Hậu Giang sau giai đoạn chia tách mạng Cần Thơ - Hậu Giang.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hệ thống topo mạng mô phỏng 6 nút định tuyến đại diện (gồm 2 router lõi Core_VịThanh, Core_TPhúThạnh và 4 router biên PE1_VTN, PE2_VTN, UPE_HIEPHUNG, UPE_DONGPHUOC) cùng 5 luồng dịch vụ đặc thù: truyền dữ liệu cáp quang FTTH, duyệt web HTTP, truyền hình IPTV, video streaming VoD và đàm thoại VoIP.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích dựa trên các điểm nút mạng có mật độ truy cập cao nhất và các luồng dịch vụ có độ nhạy cảm cao với độ trễ và mất gói.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng OPNET Modeler phiên bản 14.5 là vì công cụ này cung cấp môi trường giả lập chuẩn xác các cơ chế định tuyến vi mô, phân tích hành vi hàng đợi và cho phép tái hiện chi tiết 3 kịch bản vận hành đối chứng trong cùng một điều kiện tải động. Timeline thực hiện nghiên cứu, cấu hình và thu thập dữ liệu mô phỏng kéo dài liên tục trong 8 tháng từ tháng 8 năm 2015 đến tháng 4 năm 2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích đối chứng 3 kịch bản (Kịch bản 1: Mạng thuần IP không cấu hình QoS; Kịch bản 2: Mạng có khai báo QoS DiffServ; Kịch bản 3: Mạng tích hợp MPLS-TE kết hợp QoS DiffServ) đã đưa ra 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, mức giảm độ trễ gói tin Packet Delay ở kịch bản ứng dụng MPLS-TE là vượt trội. Đối với luồng dữ liệu thoại VoIP tại cổng ra UPE_HIEPHUNG, độ trễ trung bình giảm từ mức 215ms ở kịch bản không QoS xuống còn 42ms khi kích hoạt MPLS-TE kết hợp QoS, tương ứng mức cải thiện 80.4%, đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn khắt khe ITU-T G.114 (ngưỡng khuyến nghị dưới 150ms).

Thứ hai, độ biến động trễ Jitter của các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực được triệt tiêu đáng kể. Với luồng truyền hình IPTV và video theo yêu cầu tại UPE_DONGPHUOC, biên độ trôi pha giảm từ 68ms ở kịch bản 1 xuống mức ổn định dưới 7.5ms ở kịch bản 3, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng vỡ hình và giật tiếng.

Thứ ba, tỷ lệ mất gói tin Packet Loss trong điều kiện nghẽn mạng cục bộ được kiểm soát tối ưu. Tỷ lệ rớt gói của luồng dữ liệu HTTP và FTTH tải nặng giảm từ mức 4.8% trong mạng truyền thống xuống dưới 0.08% nhờ cơ chế điều hướng thông minh qua các đường hầm LSP dự phòng.

Thứ tư, hiệu quả phân bổ tải trên các liên kết lõi tăng lên rõ rệt. Khi một tuyến liên kết chính đạt mức tải 92%, cơ chế MPLS-TE tự động san tải sang tuyến nhánh phụ đang rảnh rỗi (trước đó chỉ chịu tải 18%), đưa hiệu suất sử dụng của cả 2 tuyến về mức cân bằng lý tưởng xấp xỉ 58% và 52%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự cải thiện vượt bậc của kịch bản 3 bắt nguồn từ việc kết hợp sức mạnh phân lớp của DiffServ và khả năng định tuyến ràng buộc của MPLS-TE. Trong mạng IP truyền thống, các gói tin được định tuyến thuần túy theo bảng FIB dựa vào địa chỉ IP đích và thông số chi phí ngắn nhất của OSPF, khiến tất cả luồng dữ liệu đều dồn vào một tuyến đường duy nhất. Ngược lại, việc thiết lập các đường hầm TE Tunnel cho từng lớp lưu lượng riêng biệt (Tunnel_iptv, Tunnel_video, Tunnel_ftth) đã cho phép kiểm soát tuyệt đối đường đi của từng loại gói tin theo đúng băng thông cam kết.

Dữ liệu mô phỏng được trực quan hóa qua hệ thống bảng so sánh thông lượng ngõ vào - ngõ ra và các biểu đồ chuỗi thời gian ghi nhận tại router biên PE1_VTN và PE2_VTN. Các biểu đồ trễ tức thời thể hiện rõ: khi chưa có QoS, đồ thị trễ biến thiên hỗn loạn với nhiều đỉnh vượt ngưỡng 300ms; khi áp dụng MPLS-TE, đường biểu diễn hạ thấp và gần như đi ngang thành một đường thẳng ổn định.

Kết quả nghiên cứu này tương thích chặt chẽ và củng cố thêm phát hiện của các công trình quốc tế công bố năm 2015 trên Tạp chí Quốc tế về Mạng và Truyền thông của nhóm tác giả Shaimaa A. Sharafali, đồng thời chứng minh tính khả thi tuyệt đối khi triển khai trên mô hình thực tế của các mạng viễn thông cấp tỉnh tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa năng lực truyền dẫn và chất lượng dịch vụ trên toàn hệ thống mạng MAN-E, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

Thứ nhất, chuẩn hóa và kích hoạt toàn diện tính năng MPLS-TE trên toàn bộ các router lõi và router biên của mạng MAN-E. Đơn vị chủ quản là Trung tâm Điều hành Mạng VNPT Hậu Giang phối hợp cùng VNPT Net 3 tiến hành nâng cấp cấu hình OSPF-TE Extensions và RSVP-TE trên 100% thiết bị mạng trong lộ trình 6 tháng. Mục tiêu kỹ thuật là thiết lập cơ chế chuyển mạch bảo vệ nhanh Fast Reroute (Make-Before-Break), đảm bảo thời gian khôi phục đường truyền khi đứt cáp quang hoặc hỏng cổng kết nối dưới 50ms.

Thứ hai, áp dụng chính sách quy hoạch lưu lượng QoS DiffServ đồng bộ theo chuẩn DSCP cho 4 nhóm dịch vụ cốt lõi. Phòng Kỹ thuật Viễn thông Hậu Giang cần triển khai đánh dấu ưu tiên: gán mã EF (DSCP 46) cho lưu lượng Voice/VoIP, AF41 (DSCP 34) cho IPTV và Video Streaming, AF11/AF12 cho dữ liệu VPN doanh nghiệp, và BE cho truy cập Internet thông thường. Cấu hình cơ chế xếp hàng CBWFQ kết hợp thuật toán WRED tại các cổng vào/ra để bảo đảm cam kết mức dịch vụ SLA đạt trên 99.9%.

Thứ ba, thiết lập hệ thống giám sát tải động và quản lý đường hầm lưu lượng định kỳ. Bộ phận Giám sát Khai thác Mạng cần ứng dụng các công cụ quản trị mạng NMS và giao thức SNMP để theo dõi mức chiếm dụng băng thông của các đường hầm MPLS Tunnel. Khi lưu lượng trên một LSP vượt quá ngưỡng an toàn 75% băng thông thiết kế liên tục trong 15 phút, hệ thống phải tự động cảnh báo và kích hoạt tính năng tái định tuyến thích nghi.

Thứ tư, nghiên cứu lộ trình chuyển dịch nâng cấp lên công nghệ MPLS-TP và hỗ trợ IPv6. Hội đồng Khoa học Công nghệ Tập đoàn VNPT cần xây dựng đề án thử nghiệm tích hợp cấu hình phân phối nhãn MPLS-TP song song với việc quy hoạch địa chỉ IPv6 trên nền tảng MAN-E trong giai đoạn 2017 đến năm 2020, tạo nền tảng vững chắc cho việc triển khai hạ tầng mạng di động 4G và 5G thế hệ mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên sâu và hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chính sau:

Thứ nhất, kỹ sư quy hoạch và tối ưu hóa mạng viễn thông tại các nhà mạng (VNPT, Viettel, FPT Telecom, MobiFone). Tài liệu cung cấp hướng dẫn chi tiết từng bước về quy trình tính toán băng thông, cấu hình thông số OSPF-TE, thiết lập đường hầm RSVP-TE và phân lớp DSCP trên thiết bị định tuyến thực tế, giúp rút ngắn hơn 60% thời gian thiết kế mạng lõi.

Thứ hai, cán bộ quản lý kỹ thuật và giám đốc công nghệ tại các ISP cấp vùng. Luận văn đem lại luận cứ kinh tế - kỹ thuật sắc bén, chỉ ra phương thức nâng cao năng lực chịu tải mạng lên hơn 80% dựa trên hạ tầng sẵn có, giúp doanh nghiệp tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí đầu tư mua sắm phần cứng mới.

Thứ ba, học viên cao học, nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Điện tử - Truyền thông và Mạng máy tính. Công trình đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm, kỹ thuật xử lý dữ liệu và cách xây dựng kịch bản mô phỏng đối chứng chuyên sâu.

Thứ tư, giảng viên đại học và chuyên gia đào tạo chứng chỉ mạng quốc tế (CCNP, CCIE Service Provider). Luận văn cung cấp trọn vẹn bộ sơ đồ topo 6 nút mạng, thông số cấu hình hàng đợi RED/WRED và bảng phân loại dịch vụ chuẩn hóa, rất thích hợp để đưa vào giáo trình giảng dạy chuyên đề Mạng thế hệ mới NGN và Kỹ thuật điều khiển lưu lượng.

Câu hỏi thường gặp

MPLS-TE giải quyết tình trạng nghẽn mạng cục bộ khác biệt như thế nào so với định tuyến IP truyền thống?

Định tuyến IP thuần túy chỉ dựa vào thông số chi phí cố định (IGP metric) để truyền gói tin qua tuyến ngắn nhất, dẫn đến hiện tượng nghẽn tuyến chính dù tuyến phụ còn trống. MPLS-TE tích hợp thuật toán CSPF và giao thức RSVP-TE cho phép router phân tích băng thông thực tế trên từng giao diện, tự động điều hướng luồng dữ liệu sang các tuyến phụ có đủ tài nguyên, cân bằng tải 100% trên toàn tuyến.

Tại sao mô hình chất lượng dịch vụ DiffServ lại phù hợp với mạng MAN-E hơn mô hình IntServ?

Kiến trúc IntServ đòi hỏi tất cả router dọc đường truyền phải duy trì trạng thái riêng biệt cho từng phiên kết nối, gây quá tải năng lực xử lý khi lưu lượng đạt hàng trăm ngàn luồng. Ngược lại, DiffServ nhóm lưu lượng thành các lớp thông qua trường DSCP 6 bit tại router biên, giúp router lõi chuyển tiếp gói tin theo lớp với tốc độ dây (wire-speed) mà không làm suy giảm hiệu năng hệ thống.

Thời gian chuyển mạch bảo vệ của MPLS-TE khi xảy ra sự cố đứt cáp quang là bao lâu?

Nhờ cơ chế Make-Before-Break và tính năng Fast Reroute (FRR), MPLS-TE thiết lập sẵn các đường hầm LSP dự phòng từ trước. Khi liên kết sơ cấp bị gián đoạn, quá trình chuyển đổi sang tuyến bảo vệ diễn ra hoàn toàn tự động trong khoảng thời gian dưới 50ms, bảo đảm cuộc gọi VoIP không bị ngắt quãng và dịch vụ truyền hình IPTV không bị gián đoạn tín hiệu.

Phần mềm mô phỏng OPNET Modeler phiên bản 14.5 có độ tin cậy như thế nào trong nghiên cứu mạng viễn thông?

OPNET Modeler 14.5 là nền tảng mô phỏng mạng tiêu chuẩn công nghiệp được sử dụng rộng rãi bởi các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị hàng đầu thế giới. Phần mềm mô hình hóa chính xác từng chu kỳ xử lý gói tin, cơ chế xếp hàng WRED và giao thức RSVP-TE, đem lại kết quả thực nghiệm đạt độ tương thích trên 95% so với đo kiểm trên mạng vật lý.

Triển khai MPLS-TE kết hợp QoS trên mạng MAN-E có đòi hỏi nhà mạng phải thay thế thiết bị định tuyến cũ không?

Giải pháp không yêu cầu thay thế phần cứng router. MPLS-TE hoạt động độc lập ở tầng 2 và tầng 3 của mô hình OSI, tương thích hoàn hảo với các dòng thiết bị viễn thông phổ biến của Cisco, Huawei, Juniper. Nhà mạng chỉ cần nâng cấp phần mềm điều khiển, khai báo bổ sung các giao thức OSPF-TE, RSVP-TE và cấu hình chính sách QoS trên giao diện quản trị.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng kiến trúc mạng MAN-E tại Viễn thông Hậu Giang và chỉ ra các hạn chế cố hữu về nghẽn mạng cục bộ của giao thức định tuyến IP truyền thống.
  • Đề xuất và xây dựng thành công giải pháp ứng dụng kỹ thuật điều khiển lưu lượng MPLS-TE kết hợp mô hình phân loại chất lượng dịch vụ QoS DiffServ trên nền tảng mạng MAN-E.
  • Kết quả mô phỏng trên OPNET 14.5 chứng minh tính ưu việt vượt bậc của giải pháp: giảm độ trễ gói tin thoại VoIP hơn 80% (xuống dưới 45ms), triệt tiêu rung pha video (dưới 8ms) và hạ tỷ lệ mất gói xuống dưới 0.08%.
  • Thiết lập cơ chế chuyển mạch bảo vệ nhanh với thời gian phục hồi tuyến dưới 50ms, đáp ứng hoàn toàn các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt của mạng thế hệ mới NGN.
  • Cung cấp bộ khuyến nghị kỹ thuật và lộ trình triển khai thực tiễn khả thi, tạo cơ sở khoa học vững chắc để Tập đoàn VNPT ứng dụng mở rộng cho toàn bộ các mạng MAN-E cấp tỉnh thành trên toàn quốc.

Đóng góp lớn nhất của công trình là đã làm sáng tỏ bài toán cân bằng giữa việc nâng cao chất lượng dịch vụ đa phương tiện và tối ưu hóa chi phí vận hành hạ tầng mạng viễn thông đô thị. Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2016 đến năm 2020, giải pháp cần tiếp tục được mở rộng thử nghiệm với giao thức MPLS-TP trên nền tảng IPv6. Các kỹ sư và nhà quản lý mạng viễn thông hãy tham khảo ngay luận văn này để ứng dụng các kỹ thuật cấu hình MPLS-TE và QoS thực tế vào công tác tối ưu hóa hạ tầng mạng tại đơn vị mình.