Nghiên cứu chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trong mạng IP

1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ĐỖ THANH TÂM NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ DỮ LIỆU THỜI GIAN THỰC TRONG MẠNG IP CHUYÊN NGÀNH : TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH MÃ SỐ:60.48.15 Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS LÊ HỮU LẬP TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ HÀ NỘI- 2011 2 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay mạng IP có vai trò thiết yếu trong lĩnh vực truyền thông, khái niệm mạng toàn IP (All IP) đã được nói đến nhiều trong những năm gần đây. Sự phát triển nhanh chóng của Internet đã làm cho mạng IP trở thành giao thức không thể thiếu và ngày càng quan trọng hơn. Trong khi đó, các ứng dụng đòi hỏi QoS xuất hiện ngày càng nhiều. Bối cảnh này đòi hỏi mạng IP phải có các cơ chế QoS hoàn chỉnh để đáp ứng nhu cầu đa dịch vụ đang gia tăng. Chính vì điều đó tôi chọn đề tài của luận văn là: “Nghiên cứu chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trong mạng IP”. 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu các tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ và các giải pháp cải thiện chất lượng dịch vụ mạng IP nói chung, từ đó đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng cho mạng Man-E, nhằm đáp ứng được yêu cầu của nhà cung cấp mạng và yêu cầu của người dùng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mạng IP, dịch vụ IPTV truyền tải trên mạng MAN-E, QoS của các dịch vụ thời gian thực. 4. Phương pháp nghiên cứu Tổng hợp phân tích các kết quả nghiên cứu của các công trình liên quan; đề xuất áp dụng đối với các nhà triển khai mạng IP. 5. Kết cấu của luận văn Luận văn bao gồm 3 chương: Chương 1 : Các tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ mạng IP. Chương 2 : Các giải pháp chính cải thiện QoS trong mạng IP. Chương 3 : Chất lượng dịch vụ trên mạng MAN-E. 3 CHƯƠNG I CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ MẠNG IP 1.1 Giới thiệu chung Những năm gần đây đã bắt đầu khuynh hướng xây dựng các hệ thống truyền thoại và video dựa vào IP. Trong một mạng hội tụ, chất lượng dịch vụ QoS là chủ đề quan trọng nhất. QoS là một thuật ngữ chỉ ra mức độ đảm bảo chất lượng số liệu được truyền nhận. Trong thực tế, QoS là cơ chế đảm bảo số liệu âm thanh và hình ảnh truyền qua mạng tốn thời gian ít nhất mà vẫn đảm bảo tính nguyên vẹn của chúng. Nếu không có QoS thì các cuộc gọi qua mạng IP sẽ không đảm bảo và không đáp ứng được nguyện vọng của người dùng. Các kĩ thuật QoS trong mạng IP. Hình 1.1. Các kỹ thuật QoS trong mạng IP 4 1.2. Các tham số đánh giá QoS Chất lượng dịch vụ được đánh giá qua bốn tham số đo lường chính là băng thông, độ trễ, độ biến động trễ và độ tổn thất gói. 1.2.1. Băng thông Băng thông là tốc độ truyền hiệu quả được đo lường theo bit trên giây mà thực tế là số bit trung bình truyền thành công qua mạng trong một giây. 1.2.2. Tổn thất gói Tổn thất gói là tham số chỉ ra phần trăm gói đã truyền nhưng không bao giờ đến đích. 1.2.3. Độ trễ Độ trễ là khoảng thời gian cần thiết để số liệu di chuyển từ nguồn đến đích. 1.2.4. Độ biến động trễ Độ biến động trễ (jitter) là tham số chỉ sự thay đổi độ trễ của các gói trong chuỗi số liệu truyền. 1.2.5. Độ tin cậy Tính khả dụng hay độ tin cậy cũng là một chỉ tiêu xác định chất lượng dịch vụ của một mạng. Lý tưởng thì một mạng phải khả dụng trong 100% thời gian. 1.3. Kết luận Để các hệ thống truyền thoại và video qua IP làm việc hiệu quả thì băng thông phải càng lớn càng tốt trong khi đỗ trễ, độ tổn thất gói và độ biến động trễ phải ở mức tối thiểu. 21 end thì toàn mạng nên có chung các Profile QoS. Để đảm bảo dịch vụ, cấu hình QoS trên 2 loại Interface là: Interface kết nối đến các thiết bị khác trong mạng MAN và Interface kết nối đến các thiết bị khách hàng.  Cuối cùng, vấn đề thực hiện QoS cho mạng IP là bài toán lớn, đòi hỏi sự phối hợp giải quyết từ nhiều giải pháp khác nhau. Việc triển khai các giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ là việc rất cần thiết, tuy nhiên phải cân đối giữa chi phí triển khai và nhu cầu của khách hàng. Luận văn đã đưa ra bước đầu triển khai để nâng cao chất lượng dịch vụ, chi phí lớn do đó cần có nhiều thời gian nghiên cứu để đưa ra từng bước triển khai cho phù hợp với thực tế. 20 cả những điều đó chứng tỏ các hệ thống IntServ qui mô lớn là không thể khả thi. Ngày nay xu thế hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực trong mạng IP là ưu tiên hoá các dịch vụ và người dùng, trong đó cơ chế DiffServ là tiêu biểu. Các nhu cầu về QoS được chuyển sang một khái niệm mới gọi là cấp dịch vụ GoS. Ý tưởng ở đây là cung cấp các loại dịch vụ khác nhau cho từng loại lưu lượng khác nhau, đó là cung cấp một dịch vụ tốt hơn các ứng dụng nhạy cảm với trễ. Hơn nữa, các cơ chế khác nhau để tương tác với các phiên TCP bằng quản lý bộ đệm hay lập lịch được tạo ra để giảm khả năng tắc nghẽn và chia sẻ tài nguyên công bằng hơn. Tuy nhiên, phương thức cho các ứng dụng phía đầu cuối yêu cầu một GoS nào đó vẫn chưa rõ ràng vì DiffServ không có điều khiển chấp nhận kết nối. DiffServ không đủ khả năng giải quyết bài toán chia sẻ tài nguyên giữa các luồng TCP đang hoạt động. Tài nguyên vẫn bị chia sẻ không công bằng bên trong mỗi tập hợp lưu lượng khác nhau. DiffServ đang rất cần một hệ thống điều khiển nghẽn hoàn hảo hơn với các cơ chế lập lịch, quản lý bộ đệm, phản hồi nghẽn và cả điều chỉnh đầu cuối.  Đã nghiên cứu chất lượng dịch vụ trên mạng Man-E. Trong đó nghiên cứu về mô hình kiến trúc mạng Man-E, các dịch vụ thời gian thực và các tiêu chí QoS của mạng Man-E. Đi sâu nghiên cứu chất lượng dịch vụ IPTV và đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ IPTV cũng như mạng Man-E. Có thể thấy giải pháp QoS trên mạng sẽ sử dụng kết hợp giữa MPLS, DiffServ và kỹ thuật lưu lượng TE. Hướng tìm kiếm giải pháp về QoS đối với mạng Man_E sẽ trong khoảng từ DiffServ đến H-QoS. Để giải quyết vấn đề QoS end–to- 5 CHƯƠNG II CÁC GIẢI PHÁP CHÍNH CẢI THIỆN QoS TRONG MẠNG IP 2.1. Phương thức cơ bản cung ứng QoS trong mạng IP Có ba khía cạnh quan trọng thường được xem xét trong khi thiết kế mạng IP cho số liệu âm thanh và video, đó là cung ứng có dự phòng cho mạng, xếp hàng và phân loại. 2.1.1. Cung ứng có dự phòng cho mạng Giải pháp phổ biến nhất cho QoS ngày nay là cung cấp băng thông đầy đủ cho mạng. Dự phòng chỉ đơn giản là xây dựng mạng có lượng băng thông nhiều hơn nhu cầu thực tế của dịch vụ âm thanh, video và các dịch vụ khác thường xuyên chạy trên mạng. 2.1.2. Xếp hàng Các hàng đợi riêng biệt cho phép truyền số liệu có yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian như âm thanh và video theo phương thức ưu tiên. 2.1.3. Phân loại Kỹ thuật xếp hàng được tiến hành nhờ vào một số cơ chế phân loại hay ưu tiên gói. Một vài cơ chế khác nhau dược dùng hiện nay bao gồm RSVP, IP precedence, DiffServ và MPLS. 2.2. Các cơ chế kiểm soát chất lượng phổ biến trong mạng IP Cho đến nay có ba nhóm cơ chế chính nhằm đạt được một chất lượng mạng tốt hơn mức Best-Effort truyền thống trên mạng IP, đó là: - Cung cấp dung lượng vượt yêu cầu. - Đăng ký trước tài nguyên. - Ưu tiên hoá các dịch vụ và người dùng. 6 2.2.1. Cung cấp dung lượng vượt yêu cầu Cung cấp lượng băng thông vượt mức yêu cầu là cơ chế kém nhất, vì hai cơ chế kia hoạt động theo nguyên lý chỉ dùng một số tối thiểu dung lượng để đáp ứng cho các hợp đồng dịch vụ. 2.2.2. Đăng ký trước tài nguyên IntServ là kiến trúc đầu tiên được đặc tả bởi IETF để hỗ trợ QoS theo cơ chế đăng ký trước tài nguyên. IntServ dùng giao thức RSVP để đăng ký tài nguyên cho từng luồng lưu lượng. 2.2.3. Ưu tiên hoá các dịch vụ và người dùng Thực chất QoS rất phong phú về ưu tiên. Việc hỗ trợ QoS đúng mực cần có: một phương tiện để đánh dấu các luồng theo ưu tiên và cơ chế mạng để nhận dạng và tác động lên luồng theo ưu tiên đó. 2.3. Mô hình tích hợp dịch vụ IntServ Mô hình IntServ được IETF giới thiệu vào giữa thập niên 90 với mục đích hỗ trợ chất lượng dịch vụ từ đầu cuối tới đầu cuối. Các ứng dụng sẽ nhận được băng thông đúng yêu cầu và truyền đi trong mạng với độ trễ cho phép. 2.3.1. Các lớp dịch vụ Có hai lớp dịch vụ: đảm bảo dịch vụ và kiểm soát tải. 19 KẾT LUẬN Luận văn “Nghiên cứu chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trong mạng IP” đã được hoàn thành. Trong luận văn, tác giả đã nghiên cứu và đã đạt được các kết quả như sau:  Đã nghiên cứu về chất lượng dịch vụ trên mạng IP (IP QoS) và các tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ. Từ đó khẳng định được sự cần thiết của QoS cho mạng IP ngày nay là không thể thiếu. QoS ra đời với nhiệm vụ ưu tiên cho các ứng dụng thời gian thực bằng cách cấp phát thêm băng thông và đặt chúng ở mức ưu tiên cao hơn các ứng dụng khác. QoS sẽ ảnh hưởng tới các thông số mạng như: Bandwidth (Băng thông), Delay (trễ), Jitter (Bất ổn định), Loss (độ mất gói).  Đã nghiên cứu các giải pháp chính cải thiện QoS trong mạng IP. Trong đó giải pháp ban đầu cho IP QoS là dùng cơ chế vượt cầu, đây là giải pháp đơn giản dễ thực hiện nhưng tốn kém và hiệu suất thấp. Cơ chế quan trọng kế tiếp cung cấp QoS cho các ứng dụng trong mạng IP là IntServ, thuộc loại cơ chế đăng ký trước tài nguyên. Ý tưởng chính của cơ chế này là dùng một giao thức đặc biệt RSVP để đang ký và quản lý tài nguyên mạng cho mỗi phiên. Tuy nhiên cơ chế này sớm tỏ ra nặng nề và phức tạp thậm chí còn phức tạp hơn cả các cơ chế QoS của ATM. RSVP dùng khái niệm gọi là trạng thái mềm, một cho mỗi kết nối, trạng thái mềm phải được làm tươi định kỳ. Ngoài ra, IntServ cũng đòi hỏi thiết kế lại các giao thức IP chính để đảm bảo hiệu quả hơn. IntServ không thể thay đổi các tuyến nếu đường dẫn ngắn nhất không có dung lượng cho mỗi kết nối mới. Tất 18 3.3.3.2. Ánh xạ các dịch vụ/ứng dụng sang Diffserv 3.3.3.3. Ánh xạ từ Diffserv code sang MPLS EXP code Sử dụng bảng ánh xạ Bảng 3-5 Bảng ánh xạ từ Diffserv sang MPLS EXP DSCP PHB EXP value CS7(111000) 111 CS6(110000) 110 EF(101110) 101 AF4X(100xx0) 100 AF3X(011xx0) 011 AF2X(010xx0) 010 AF1X(001xx0) 001 Best Effort 000 3.3.4. Cấu hình QoS trong MAN-E Để đảm bảo dịch vụ, khuyến nghị cấu hình QoS trên 2 loại interface:  Interface kết nối đến các thiết bị khác trong mạng MAN  Interface kết nối đến các thiết bị khách hàng 3.4. Kết luận Có thể thấy giải pháp QoS trên mạng Man-E sẽ sử dụng kết hợp giữa MPLS, DiffServ và kỹ thuật lưu lượng TE. Hướng tìm kiếm giải pháp về QoS đối với mạng Man_E sẽ trong khoảng từ DiffServ đến H-QoS. Để giải quyết vấn đề QoS end–to-end thì toàn mạng nên có chung các Profile QoS. Để đảm bảo dịch vụ, cấu hình QoS trên 2 loại Interface là: Interface kết nối đến các thiết bị khác trong mạng MAN và Interface kết nối đến các thiết bị khách hàng. 7 2.3.2. Giao thức dành trước tài nguyên RSVP RSVP là giao thức báo hiệu cung cấp thủ tục để thiết lập và điều khiển quá trình chiếm giữ tài nguyên, hay nói cách khác RSVP cho phép các chương trình ứng dụng thông báo cho mạng những yêu cầu về mức chất lượng dịch vụ và mạng sẽ hồi đáp chấp nhận hoặc không chấp nhận yêu cầu đó. 2.3.3. Kiến trúc IntServ Cấu trúc của các bộ định tuyến và các bộ chuyển mạch có hỗ trợ RSVP trong mạng: Hình 2.4. Mô hình dịch vụ IntServ Cấu trúc gồm các khối: Khối điều khiển lưu lượng và Khối điều khiển thu nhận và thiết lập dự trữ. 8 2.4. Mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ 2.4.1. Mô hình Hình 2.5. Mô hình các bước phân biệt dịch vụ DiffServ Kiến trúc DiffServ chứa hai thành phần chính: Một là nguyên tắc ứng xử (PHB) trên đường dẫn chuyển gói và thứ hai là chính sách cấu hình các thông số trên đường dẫn chuyển gói cho từng PHB. 2.4.2. Phát triển QoS theo cơ chế DiffServ 2.4.2.1. Tổng quan về triển khai dịch vụ theo kiến trúc DiffServ DiffServ sử dụng các cơ chế phân loại, chỉnh dạng và lập lịch để cung cấp các dịch vụ. Kiến trúc DiffServ chỉ định nghĩa các mã DSCP ghi trong trường ToS và các PHB. Còn dịch vụ cụ thể như thế nào là do các nhà cung cấp dịch vụ quy định. 2.4.2.2. Phương pháp phát triển hệ thống DiffServ Công việc phát triển hệ thống DiffServ liên quan đến tổ chức và phát triển hai thành phần chính là bộ điều chỉnh lưu lượng tại router biên và các PHB tại các router, đặc biệt là các core router. 17 3.3.2. Đề xuất giải pháp QoS 3.3.2.1. Đặt vấn đề 3.3.2.2. Khuyến nghị 3.3.2.3. Xây dựng các Profile QoS cơ bản và quy ước sử dụng DSCP 3.3.2.4. Network control profile 3.3.2.5. Reatime Voice profile 3.3.2.6. Realtime Video profile 3.3.2.7. Data 1 Profile (Crictical) 3.3.2.8. Data 2 Profile 3.3.2.9. Standard Profile 3.3.3. Các phép ánh xạ QoS 3.3.3.1. Ánh xạ các QoS profile vào DSCP code Bảng 3-4 Bảng ánh xạ QoS Profile sang DSCP QoS Profile DiffServ Codepoint Value Network Control CS-6 48 REALTIME-VOICE EF 46 REALTIME-VIDEO AF41 DATA1 (CRICTICAL) AF31 DATA2 (ASSURED ELASTIC) AF32 STANDARD (ELASTIC) BE 16 3.3. Chất lượng dịch vụ IPTV. Giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ IPTV 3.3.1. Mạng tổng thể IPTV Hình 3.7. Sơ đồ khối chức năng của dịch vụ IPTV 3.3.1.1. Mạng nội dung 3.3.1.2. Mạng truyền tải 3.3.1.3. Mạng đầu cuối 3.3.1.4. Bộ quản trị 9 a. Phát triển bộ điều chỉnh lưu lượng b. Phát triển các PHB * Cơ chế quản lý hàng đợi * Cơ chế lập lịch gói 2.4.3. Vấn đề quản lý tài nguyên 2.4.3.1. Khái quát hiện trạng IETF đã đề xuất DiffServ như là giải pháp thay thế, khắc phục được nhược điểm của IntServ vì có tính khả triển rất tốt. Tuy nhiên, kiến trúc được triển khai cần phải có các giải thuật quản lý lưu lượng nào đó. 2.4.3.2. Giải pháp quản lý tài nguyên RMD: RMD là một kỹ thuật nhằm bổ sung điều khiển chấp nhận và chức năng đăng ký cho mạng DiffServ. RMD điều khiển lưu lượng bằng hai cách: điều khiển chấp nhận luồng mới và giải thuật loại bỏ một số luồng nếu mạng bị nghẽn. * Hoạt động quản lý trên cơ sở đo lường * Hoạt động quản lý trên cơ sở đăng ký 2.4.3.3. Giải pháp PCN Giải pháp thông báo tiền nghẽn PCN là một giải pháp DiffServ trong đó các nút bên trong cố gắng phát hiện nghẽn. PCN tương tự như ECN là giải pháp đánh dấu các gói khi mạng thực sự bị nghẽn. 10 2.4.4. Phát triển IP QoS trên nền MPLS 2.4.4.1. MPLS hỗ trợ QoS cho IP MPLS là một giải pháp để tăng tốc độ truyền số liệu qua mạng được để xuất bởi IETF. 2.4.4.2. Kết hợp DiffServ và MPLS MPLS có khả năng khôi phục và bảo vệ nhanh chóng hơn khi cấu hình mạng thay đổi so với các hệ thống IP chuẩn. Khả năng này được gọi là sự bảo vệ MPLS và chúng có thể cung cấp các mức bảo vệ khác biệt cho các đường dẫn khác nhau. 2.4.4.3. Những tồn tại trong việc dùng MPLS Bản thân MPLS khi thiết lập một LSP qua một router sẽ không đảm bảo rằng router này có thể kiểm soát được các nhu cầu về băng thông của nó. MPLS còn hạn chế ở đặc tính định tuyến tĩnh, khi chất lượng trên một tuyến bị suy giảm nó không có biện pháp để thay đổi. 2.5. Kết luận Giải pháp ban đầu cho IP QoS là dùng cơ chế vượt cầu, đây là giải pháp đơn giản dễ thực hiện nhưng tốn kém và hiệu suất thấp. Cơ chế quan trọng kế tiếp cung cấp QoS cho các ứng dụng trong mạng IP là IntServ, thuộc loại cơ chế đăng ký trước tài nguyên, hệ thống IntServ qui mô lớn là không thể khả thi. 15 Bảng 3-3 Các tham số video của ITU-T Phươn g tiện Ứng dụng Cách thức Tốc độ Giá trị One- way delay Delay variation Inform ation loss (Note 2) Khác Video Videophone Two- way 16- 384 kbit/s <150ms preferred <1% packet loss ratio (PLR) Lip- synch: <80ms Video One-way One- way 16- 384 kbit/s <10s <1% PLR 3.2.2.2. Khuyến nghị của Cisco Hiện tại có 2 kiểu lưu lượng video cơ bản là Interactive- Video (videconferencing) và Streaming-Video (bao gồm cả unicast và multicast). Mỗi loại dịch vụ cần có những tiêu chí về QoS khác nhau. [...]... Ring và các CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRÊN MẠNG MAN-E access ring Core ring có băng thông tối thiểu 1G hoặc lớn hơn tùy 3.1 Mô hình kiến trúc mạng MAN-E 3.1.1 Giới thiệu chung vào từng tỉnh Access ring có băng thông 1G, 2G hoặc 10G Mô hình dịch vụ  Dịch vụ IPTV Mạng MAN-E là mạng đô thị trên nền tảng công nghệ  Dịch vụ VoD/VoIP Ethernet Nhiệm vụ chính của MAN-E là mạng thu gom lưu lượng từ  Dịch vụ HSI lớp... rồi chuyển lên lớp Core  Dịch vụ VPN 3.1.3 Giao thức truyền tải MPLS 3.1.4 Giao thức định tuyến 3.2 Các dịch vụ thời gian thực và tiêu chí QoS của mạng MAN-E 3.2.1 Dịch vụ VoIP 3.2.1.1 Khuyến nghị của ITU-T Khuyến nghị G.1010 Bảng 3-1 Bảng tham số về âm thanh của ITU-T Phương Ứng Cách Tốc tiện dụng thức độ Giá trị Oneway delay Dela y varia Mất gói tion Hình 3.1 Cấu trúc mạng Audio Convers Two- 4-64...14 messagi way kbit/s 11 Ngày nay xu thế hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực trong playbac k High one- 16- quality way DiffServ là tiêu biểu DiffServ không đủ khả năng giải quyết bài toán record Audio mạng IP là ưu tiên hoá các dịch vụ và người dùng, trong đó cơ chế . cứu chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trong mạng IP . 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu các tiêu chí đánh giá chất lượng. lớp dịch vụ Có hai lớp dịch vụ: đảm bảo dịch vụ và kiểm soát tải. 19 KẾT LUẬN Luận văn Nghiên cứu chất lượng dịch vụ dữ liệu thời gian thực trong