Chương 1 TỔNG QUÁT VỀ ĐẶC TÍNH HÓA LƯU LƯỢNG IP 1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG Hiển nhiên, luồng lưu lượng IP đến nút mạng của nhà quản lý, cung cấp dịch vụ viễn thông tuân thủ theo quy luật của các sự kiện ngẫu nhiên. Nhưng do các đặc tính của lớp dịch vụ khác nhau (lớp thoại, lớp luồng lưu lượng, lớp tương tác, lớp nền, …) cùng với sự khác biệt của các phương thức truyền (cách thức điều chế) và môi trường truyền thông (vô tuyến ở các băng tần, cáp đồng trục, cáp quang, khoảng cách, …) giữa điểm đầu (nơi có nhu cầu phục vụ) và điểm cuối (đến nhà cung cấp dịch vụ) làm dáng điệu luồng lưu lượng IP bị biến dạng không giống nhau trong mọi trường hợp. Điều đó dẫn đến nhu cầu đặc tính hóa để tìm các tham số đặc trưng cho lớp dịch vụ của luồng lưu lượng thể hiện ở sự biến đổi ngẫu nhiên theo cả tần số và thời gian do tương quan giữa luồng lưu lượng, phương thức truyền với môi trường truyền thông.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu về đặc tính hóa lưu lượng Internet, cả về khía cạnh phân tích lẫn khía cạnh nắm bắt và đo lường chất lượng [1], [2], [3], [36], [81]. Những công trình đó chỉ ra rằng trên phạm vi toàn cầu, công nghệ mạng và dịch vụ Internet phát triển nhanh hơn so với sự phát triển liên quan đến việc phân tích và đến sự hiểu biết lý thuyết về cách ứng xử và xử lý của mạng. Điều đó làm hạn chế đối với lĩnh vực đo lường, bắt giữ luồng dữ liệu và phân tích các đặc tính lưu lượng phục vụ việc giám sát, loại bỏ lưu lượng “độc hại” và dự báo các dịch vụ theo thời gian thực, mặc dù đã có một số thành công nhất định trong kĩ thuật sử dụng mô hình vật lý-toán học trong lĩnh vực truyền dẫn truyền thống, nhất là lý thuyết hàng đợi. Thêm vào đó, đối với phạm vi doanh nghiệp, có nhiều lý do khác nhau khiến việc tập hợp các đặc tính lưu lượng Internet, đặc tính lưu lượng của mạng đường trục đã không nhận được nhiều sự quan tâm đúng mức của các nhà quản lý, cung cấp dịch vụ mạng.
Trong đó, một trong những nguyên nhân chính là 2 do các nhà quản trị, cung cấp dịch vụ mạng chỉ tập trung nỗ lực vào các hoạt động sản xuất, phục vụ nhiệm vụ kinh doanh, không dành thời gian, nguồn lực cho việc thu thập, hệ thống hóa dữ liệu. Điều này dẫn đến sự tồn tại một khoảng cách giữa những kết quả thu được bởi các thí nghiệm (trong môi trường cô lập) với những kết quả thể hiện bởi đặc tính của cơ sở hạ tầng Internet rộng lớn phân tán ở mọi nơi, trên phạm vi toàn cầu [8], [72], [75], [76], [78]. Để giảm khoảng cách giữa lý thuyết và thực tế trải nghiệm, nghiên cứu sinh dựa trên cơ sở lý thuyết và sử dụng các mã nguồn mở có uy tín để tiến hành điều tra mạng viễn thông tại đơn vị cung cấp dịch vụ nhằm tổng hợp các số liệu lưu lượng và đóng góp vào sự hiểu biết về hành vi mạng ở quy mô lớn. Từ năng lực lý luận trên cơ sở lý thuyết về hành vi mạng có thể áp dụng và tạo điều kiện cho các nhà cung cấp dịch vụ mạng thực hiện có hiệu quả về quản lý, phát triển cơ sở hạ tầng quy mô lớn.
Ngược lại, những đòi hỏi thực tế về cung cấp dịch vụ, chất lượng dịch vụ làm động lực thúc đẩy việc ứng dụng kết quả thuộc lĩnh vực nghiên cứu lý thuyết đến thế giới hoạt động thực của mạng. Từ cách nhìn như vậy, những kết quả nghiên cứu tổng quát về đặc tính hóa lưu lượng IP (tham số hóa quá trình ngẫu nhiên của các luồng lưu lượng) sẽ được trình bày theo kiểu một tài liệu hướng dẫn đối với các nhà quản lý mạng, cung cấp dịch vụ mạng trong chương 1. LƯU LƯỢNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH PHÂN LOẠI Có nhiều loại lưu lượng khác nhau, tùy theo từng ứng dụng cụ thể, cùng tồn tại trên mạng và có thể phân các ứng dụng thành loại theo thời gian thực và không theo thời gian thực. Các loại lưu lượng ứng với ứng dụng khác nhau, ngay cả khi chúng có cùng điểm xuất phát, cùng điểm đến và cùng cách thức truyền thông, thì đã có các đặc tính ngẫu nhiên và nhu cầu về QoS (các tham số thể hiện băng thông, tỷ lệ mất gói, v.v…) khác nhau và có thể phân tích các yêu cầu về QoS dựa trên mức thời gian và mức truyền dịch vụ (mức gói, cuộc gọi) khác nhau.
Thường sử dụng phân tích thống kê để xác định các đặc tính lưu lượng và sử dụng những đặc tính lưu lượng đó với các yêu cầu tương ứng của loại dịch vụ làm các tham số chính 3 để phân loại lưu lượng IP [55], [63], [84], [85], [104]. Mô hình lưu lượng đối với các dịch vụ cơ bản dựa trên lý thuyết Erlang, gồm hai tham số chính (tốc độ xuất hiện cuộc gọi và thời gian chiếm giữ trung bình) để xác định lưu lượng ra ứng với thời gian sử dụng tài nguyên. Nếu phân bố Poisson phù hợp với thống kê xuất hiện các cuộc gọi thì đối với hệ thống có N kênh, tổng lưu lượng A, thời gian giữ cuộc trung bình τ, độ trễ lớn nhất cho phép trước khi cuộc gọi mới bị khóa T. Xác suất không có server (hệ thống bận, cuộc gọi mới bị khóa) GOS tuân theo mô hình Erlang B khi không có cơ chế trễ T và xác suất không có server khi có cơ trễ thiết lập lớn hơn T, GOS tuân theo mô hình Erlang C [84]: AN Erlang B: GOS N N! k ; A k=0 k! (N-A)T AN Erlang C: GOS= N-1 k e τ (1.1) A A A N +N! 1- N k=0 k! Đối với liên kết lưu lượng, các tham số điển hình được sử dụng để đặc tính hóa nguồn lưu lượng như tốc độ dữ liệu đỉnh, tốc độ dữ liệu trung bình, lưu lượng bùng nổ được định nghĩa như sau: - Tốc độ dữ liệu đỉnh (Peak Data Rate) được biết đến là tốc độ dữ liệu lớn nhất có thể tạo ra bởi một nguồn lưu lượng trong khoảng thời gian điển hình.
- Tốc độ dữ liệu trung bình (Average Data Rate) được hiểu là số dữ liệu tạo ra từ nguồn trong một khoảng thời gian nhất định và đơn vị đo thường là bps (số byte per second) hoặc prs (packet per second). Việc tính toán đối với tốc độ dữ liệu trung bình thường được diễn ra trong khoảng thời gian dài. - Burstiness dùng để mô tả nguồn gửi lưu lượng không thường xuyên qua việc sử dụng biểu thức đơn giản để tính toán như sau: 4 PeakDataRate Burstiness (1.2) AverageDataRate Nếu một nguồn gửi lưu lượng với tốc độ không đổi thì nguồn đó không đột biến và có burstiness bằng 1. Nguồn được coi là biến đổi rất lớn hay burstiness lớn hơn rất nhiều so với 1, nếu nguồn đó cho phép các khoảng thời gian lớn không gửi lưu lượng xen kẽ với những khoảng thời gian gửi với tốc độ gần bằng tốc độ đỉnh.
Tính đa dạng của dịch vụ băng rộng dẫn tới sự phân tán lớn của burstiness, về thời gian chiếm giữ và tốc độ đỉnh. Trong dịch vụ đa phương tiện, các ứng dụng cung cấp có thể nhóm thành bốn loại chính của các lớp dịch vụ như sau: - Lớp thoại (Conversational Class) bao gồm các dịch vụ thoại, hội nghị Video, Video-game … Yêu cầu quan trọng nhất đối với lớp dịch vụ này liên quan đến thời gian, bao gồm độ trễ thấp, biến đổi trễ thấp và duy trì tốc độ dữ liệu nguồn. Tỷ lệ tổn thất không phải là quá quan trọng. - Lớp luồng lưu lượng (Streaming Class) bao gồm các luồng lưu lượng Audio, Video.
Yêu cầu đối với lớp luông lưu lượng này là duy trì tương quan với thời gian để biến đổi trễ thấp, nhưng không quan trọng như yêu cầu độ trễ thấp đối với lớp thoại. Tỷ lệ tổn thất là không quan trọng. - Lớp tương tác (Interactive Class) bao gồm Web-browser, truy nhập cơ sở dữ liệu, truy nhập LAN từ xa. Đối với lớp tương tác, một tham số quan trọng đó là độ trễ toàn trình (round-trip delay) vì tham số này mô tả thời gian yêu cầu và đáp ứng.
Tỷ lệ tổn thất là rất quan trọng đối với các loại ứng dụng này. - Lớp nền (Background Class) gồm các ứng dụng phi thời gian thực như email, truyền file … không có hạn chế nào về thời gian hay độ trễ nhưng tỷ lệ tổn thất là rất quan trọng. Hiện nay chưa có định nghĩa thống nhất chuẩn hoá về luồng lưu lượng Internet (tùy mục đích nghiên cứu mà luồng lưu lượng được định nghĩa theo các cách khác nhau). Mục tiêu ở đây là xây dựng mô hình nhận biết lưu lượng trên mạng Internet trên cơ sở các kết quả phân tích đặc tính, biểu hiện hoạt động của luồng lưu lượng.
5 Vì vậy, cần sử dụng định nghĩa sao cho có thể cung cấp được nhiều thông số thống kê luồng lưu lượng và đồng nhất theo thời gian. Ở đây nghiên cứu sinh đã sử dụng phương pháp định nghĩa luồng lưu lượng gần giống phương pháp của RTFM, trong đó thuật ngữ "khoá" được sử dụng để chỉ tập các thuộc tính địa chỉ trên các lớp khác nhau của mô hình TCP/IP, gồm các thông số về địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, cổng ứng dụng nguồn, cổng ứng dụng đích và chỉ số nhận dạng giao thức TCP. Cụ thể, Hai gói liên tiếp được xem là thuộc cùng một luồng nếu chúng không cách nhau quá một khoảng thời gian cho trước (gọi là thời gian time-out), nếu không một luồng mới sẽ được tạo ra. Để mô tả luồng lưu lượng, cần sử dụng các thuộc tính đặc trưng (tập thuộc tính) của luồng và phương pháp đo lường phù hợp.
Thuộc tính luồng có thể là các trường trong phần tiêu đề của gói (địa chỉ IP nguồn/đích, cổng ứng dụng nguồn/ đích, v.v…) hoặc các bộ đếm số lượng byte, số lượng gói chứa trong luồng hoặc các giá trị thống kê của các tham số trên (trị trung bình, trị trung tâm, hay độ lệch tiêu chuẩn). Để phản ánh đúng bản chất biến thiên và các biểu hiện hoạt động của luồng lưu lượng Internet, ngoài các thuộc tính đã nêu, cần khảo sát, tính toán thêm nhiều thuộc tính quan trọng khác kể cả những thông số của các phân bố rời rạc liên quan như: phân bố thời điểm đến của các luồng, phân bố kích thước các luồng, phân bố thời điểm đến của các gói thuộc luồng, phân bố kích thước các gói thuộc luồng, v.v… vào tập các thuộc tính mô tả luồng.