Luận án đề xuất các biện pháp cải thiện hiệu năng cho giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ

1 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề - Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, công nghệ viễn thông phát triển nhanh chóng trở thành tảng phát triển xã hội; công nghệ, kỹ thuật liên tục đời để đáp ứng nhu cầu lưu lượng liệu tăng mạnh bùng nổ loại hình dịch vụ viễn thơng dịch vụ băng rộng nhằm đáp ứng nhu cầu lĩnh vực xã hội Sự tăng trưởng bùng nổ lưu lượng liệuđó làm cho việc đảm bảo chất lượng cho dịch vụ cung cấp mạng viễn thông trở nên quan trọng, bối cảnh dịch vụ viễn thông mới, yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng ngày cao Trong đó, việc chọn tuyến truyền từ nguồn liệu đến nơi sử dụng đủ đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ, đặc biệt với dịch vụ cần chất lượng tuyến truyền cao, toán cần giải nay, bối cảnh mạng viễn thông phát triển ngày mạnh mẽ Do đó, việc giải vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cung cấp mạng mang ý nghĩa thực tiễn, đồng thời mang tính học thuật cao Để thực tốt yêu cầu này, việc xây dựng giải pháp mới, giải thuật định tuyến sở cải tiến giải pháp sử dụng với mục tiêu góp phần đưa cơng nghệ định tuyến đảm bảo QoS phổ dụng hơn, ứng dụng nhiều thực tế trở thành vấn đề cấp thiết Trên sở đó, Luận án tập trung nghiên cứu vấn đề chất lượng dịch vụ (QoS), cân tải, định tuyến đảm bảo QoS đề xuất giải thuật định tuyến nhằm đảm bảo QoS cho dịch vụ viễn thông mạng viễn thông phát triển mạnhhiện thời gian đến Tình hình nghiên cứu nước - Trong nước: Hiện nay, nghiên cứu QoS tương đối phổ biến, nghiên cứu nhiều, đáp ứng nhu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ loại mạng nhưmạng tùy biến di động (MANET - mobile ad hoc network), mạng hội tụ di động – cố định (FMC - Fixed Mobile Convergence ) … thể nghiên cứu [2], [4] Định tuyến kiểu Best-Effort nghiên cứu mơ tả [1] giúp hình dung q trình định tuyến khơng có u cầu QoS Giải pháp sử dụng trí tuệ nhân tạo [6] nghiên cứu đề xuất nhằm thoả mãn vấn đề đảm bảo QoS chuyển tải thông tin mạng viễn thông Về định tuyến, việc nghiên cứu, đề xuất giải thuật định tuyến sử dụng để bổ sung, trình bày giải tốn mang tính tổng qt cao việc định tuyến thơng tin mạng, cụ thể nghiên cứu [2], [4], [5] Về nghiên cứu phát triển mạng viễn thông nay: Việc nghiên cứu đảm bảo chất lượng mạng [95] giải nhiều vấn đề định tuyến ứng dụng mạng hệ mới, đồng thời hướng ứng dụng gợi mở cho việc phát triển mạng viễn thơng Việt nam - Ngồi nước: Các nghiên cứu QoS chế định tuyến đảm bảo QoS OSPF mở rộng [14], [39], [40], [51], [107] giải pháp quan tâm việc ứng dụng mạng viễn thông Đó giải pháp nhằm tối ưu hóa việc chọn đường, đề xuất giải toán định tuyến mạng viễn thông với giải thuật phổ biến nhưgiải thuật định tuyến chọn đường ngắn rộng (WSP - Widest Shortest Path), giải thuật định tuyến chọn đường rộng ngắn (SWP - Shortest Widest Path), giải thuật dùng tuyến truyền ngắn (SDP Shortest-distance path) … Bên cạnh đó, việc đề xuất giải toán QoS mạng nội vùng, liên vùng, mạng WAN-MAN, MANET nghiên cứu đề xuất [17], [86], [104] Đối với mạng như: Mạng thơng tin khơng xác, khơng xác định việc nghiên cứu giải thuật định tuyến đảm bảo QoS đề xuất [13], [28], [61], [63], [69], [102] Các thông số : thông tin không xác, thơng số khơng xác định thơng số đầu vào quan trọng để đề xuất mô hình định tuyến QoS mới, ứng dụng mạng đặc thù, nơi mà thông tin đến với nút mạng không đầy đủ, không trọn vẹn Các đề xuất khác liên quan đến giải thuật định tuyến đảm bảo QoS đề xuất [30], [31], [39], [42], [53], [57], [59], [66],[71], [74], [88], [89], [99], [110] cách mà nhà nghiên cứu sâu vào phân tích khía cạnh cịn chưa nghiên cứu việc mở rộng mơ hình mạng, nhằm đáp ứng với xã hội thông tin ngày mở rộng giải pháp công nghệ ứng dụng việc tìm xây dựng giải thuật cho định tuyến đảm bảo QoS Đặc biệt, hướng nghiên cứu định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin nội (TTNB) [35], [36], [91], [97], [108] … nghiên cứu nhiều hứa hẹn đem lại hiệu cao định tuyến đảm bảo QoS thời gian tới Ngoài ra, nghiên cứu mô luồng liệu nghiên cứu nhiều nghiên cứu [11], [34], [43], [68], [103] để đánh giá hiệu định tuyến Các giải thuật định tuyến nêu khảo sát kỹ phần sau Luận án, làm sở cho đề xuất Luận án Về nghiên cứu tiến trình phát triển mạng viễn thông nay: Các cường quốc công nghệ đặc biệt Mỹ, Nhật đầu tư, nghiên cứu, hoạch định mạng viễn thơng nhằm đón đầu nhu cầu chất lượng mạng viễn thơng họ, với dự án FIND [24], NICT [60], AKARI [62], GENI [73] … Với nhu cầu cao dịch vụ, công nghệ, ứng dụng công nghệ thông tin thị trường trên, nghiên cứu định hướng yêu cầu việc định tuyến thông tin nhằm ứng dụng hiệu mạng viễn thông Tóm lại, nghiên cứu đề xuất chế mơ hình mạng, mơ hình cung cấp dịch vụ với việc đề xuất cácgiải pháp định tuyến mới, hiệu hơn, đảm bảo QoS chất lượng cao cho dịch vụ viễn thông, đáp ứng nhu cầu ngày cao thị trường viễn thông thời gian đến Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu Với việc chọn lĩnh vực nghiên cứu giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng viễn thông nay, mục tiêu hướng đến Luận án đề xuất giải pháp nhằm hoàn thiện việc định tuyến thông tin mạng viễn thông nhằm đáp ứng đòi hỏi ngày cao thị trường viễn thông sở khảo sát giải pháp áp dụng mạng Các mục tiêu nghiên cứu Luận ánlà: - Đề xuất mơ hình, giải thuật định tuyến đảm bảo QoS mới, có khả ứng dụng mạng viễn thông phát triển mạnh mẽ sở nghiên cứu báo, đề xuất cơng trình liên quan - Đề xuất giải pháp để nâng cao hiệu giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB - Đề xuất hệ số đánh giá mạng, đánh giá hiệu giải pháp định tuyến sở nghiên cứu QoS định tuyến đảm bảo QoS Các mục tiêu nghiên cứu xác định cụ thể đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Trong đó, việc nghiên cứu tổng quan QoS mạng viễn thông, định tuyến đảm bảo QoS phương pháp đánh giá mạng viễn thơng dựa việc tính tốn tham số QoS Từ đó, đề xuất mơ hình, giải thuật định tuyến mới, biện pháp nâng cao hiệu hoạt động giải thuật định tuyến đề xuất, để xây dựng mơ hình, giải thuật định tuyến hiệu tốt Phương pháp nghiên cứu: Luận án nghiên cứu cơng trình liên quan để nắm bắt tổng quan vấn đề cần đạt nêu phần mục tiêu nghiên cứu Từ vấn đề tồn tại, luận án lựa chọn trọng tâm nghiên cứu, vấn đề cần giải như: - Xây dựng giải thuật, mơ hình định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng viễn thông, đánh giá, khảo nghiệm công cụ mô - Nghiên cứu hạn chế giải thuật tại, yêu cầu mạng viễn thông giai đoạn phát triển nay, từ có so sánh đề xuất giải pháp khắc phục - Đề xuất xây dựng công cụ tiêu chí đánh giá hiệu mạng, hiệu giải thuật định tuyến để hỗ trợ cho việc đánh giá giải thuật định tuyến, so sánh giải thuật định tuyến Luận án nghiên cứu ứng dụng công cụ mô OMNeT++ [22], OPNET [64] …, công cụ lý thuyết xây dựng tính tốn mơ hình [3] để đánh giá kết thực hiện, đánh giá giải thuật đề xuất Các đóng góp luận án Các đóng góp luận án sau: - Đề xuất giải thuật định tuyến sử dụng thông tin nội làm sở, sử dụng thông số QoS làm tiêu chuẩn chọn đường Các kết nghiên cứu công bố cơng trình [A.7], [A.8], [A.10], nghiên cứu [B.4], [B.5] [B.6] - Đề xuất tập tuyến truyền linh động hỗ trợ cho hoạt động giải thuật định tuyến dùng TTNB hiệu Kết nghiên cứu công bố công trình [A.2] [A.8] - Nghiên cứu đề xuất giải thuật định tuyến dùng TTNB dựa vào kiểu định tuyến phân tán nhằm làm tăng hiệu định tuyến giảm nhớ lưu trữ tính tốn nút mạng Các kết nghiên cứu cơng bố cơng trình [A.4] [A.5] - Đề xuất xây dựng công cụ đánh giá mạng viễn thông thông qua hệ số đánh giá cân tải nhằm hỗ trợ cho việc đánh giá hiệu giải thuật định tuyến Các kết nghiên cứu công bố cơng trình [A.1], [A.3], [A.9] [B.7] Ngồi ra, Luận án nghiên cứu tổng quan vềđịnh hướng phát triển mạng viễn thông kỹ thuật định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS)trên mạng hệ nghiên cứu [B.1], [B.2], [B.3] [A.6] phần danh mục cơng trình cơng bố nghiên cứu liên quan tác giả phần sau Luận án Bố cục luận án Luận án gồm chương với bố cục sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan vấn đề đảm bảo QoS mạng viễn thông,và yêu cầu kỹ thuật định tuyến đảm bảo QoS ứng dụng mạng viễn thông phát triển Tổng quan vềđịnh tuyến đảm bảo QoS, định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB Trên sởđó,luận án xác định hướng nghiên cứu đề xuất giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB giải pháp để nâng cao hiệu giải thuật Chương 2: Nghiên cứu đề xuất các tiêu chí đánh giá hiệu giải thuật định tuyến, đề xuất hệ số đánh giá cân tải mạng làm sở cho việc đánh giá hiệu giải thuật định tuyến, giải thuật định tuyến đề xuất luận án Đồng thời, chương đề cập phương pháp mơ mơ hình mạng sử dụng luận án Chương 3: Đề xuất giải thuật định tuyến dùng TTNB, sử dụng thông số QoS làm tiêu chuẩn chọn đường Các cơng trình khắc phục số nhược điểm giải thuật định tuyến nghiên cứu phần trước Chương 4: Đề xuất biện pháp cải thiện hiệu cho giải thuật định tuyến dùng TTNB, có đề xuất tập tuyến truyền linh động ứng dụng cho giải thuật định tuyến dùng TTNB, với đề xuất giải thuật định tuyến dùngTTNB ứng dụng kiểu định tuyến phân tán Đề xuất nâng cao hiệu dạng giải thuật qua chế điều khiển định tuyến linh hoạt, ứng dụng tốt giải thuật định tuyến dùng kiểu định tuyến phân tán Cuối phần Kết luận hướng phát triển CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG VIỄN THÔNG Tổng quan yêu cầu QoS mạng viễn thông 1.1 Giới thiệu: 1.1.1 Ngày nay, lĩnh vực xã hội từ lối sống đến nhu cầu tiêu dùng hàng ngày liên quan đến Internet truyền thông Mạng viễn thông – mạng truyền liệu ngày phát triển mạnh mẽ, ngày đại hơn, trở thành yếu tố gắn chặt với phát triển xã hội, thâm nhập thay đổi lối sống người, từ việc làm, tiêu khiển đến tác động xã hội Do đó, nhu cầu thông tin trở nên thiết bùng nổ nghiên cứu Cisco [27] hay [55], với dự đoán lưu lượng liệu vượt qua mức 1,2 zettabyte vào năm 2017 đạt 2,1 zettabyte vào năm 2019 (khoảng 168,5 exabyte/tháng) (xem hình 1.1) Đây mức liệu cao, với mức tăng trưởng bình quân hàng năm (CAGR) khoảng 23% đến năm 2019 (với zettabyte = 1.000.000.000 Gbyte; exabyte = 1.000.000 Gbyte – Nguồn [109]) Hình 1.1 Dự báo lượng thơng tin mạng đến năm 2019 - Nguồn [27] Trên mạng viễn thông nay, dịch vụ viễn thông cần chất lượng dịch vụ cao, dịch vụ trực tuyến, đa phương tiện, VoD, UHDTV (4K, 8K …) … mà nhà cung cấp dịch vụ phải đảm bảo chất lượng mạng lưới cho khách hàng theo yêu cầu chất lượng QoS tương ứng Chính yêu cầu đặt cho mạng viễn thông yêu cầu khắt khe để việc truyền dịch vụ đến nơi sử dụng đảm bảo chất lượng Việc đáp ứng tốt QoS tương ứng với việc đảm bảo cho dịch vụ có giá trị thơng số QoS từ nguồn đến đích đạt yêu cầu, thơng số QoS sử dụng để mô tả yêu cầu dịch vụ viễn thông cung cấp cho người sử dụng chất lượng mạng viễn thông nhằm đáp ứng cho nhu cầu Hiện nay, vấn đề đảm bảo QoS trở nên nan giải có nhiều loại ứng dụng mạng viễn thơng với đặc tính lưu lượng khác tích hợp nhiều loại dịch vụ ứng dụng chung Điều làm cho việc hỗ trợ loại ứng dụng với đặc tính lưu lượng yêu cầu QoS khác trở nên phức tạp hơn, bên cạnh vấn đề khác cấp phát tài nguyên, cân tải mạng, điều khiển tắc nghẽn Các vấn đề cần xem xét toàn diện nhằm đảm bảo QoS cho dịch vụ môi trường mạng không đồng nhất, kết hợp nhiều công nghệ khác tương tác kiến trúc QoS khác đường kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối, từ nơi cung cấp dịch vụ đến nơi sử dụng dịch vụ 1.1.2 Các thông số QoS: Về thông số QoS: Có nhiều định nghĩa QoS Cisco [26]: QoS tham chiếu đến khả mạng truyền liệu nhằm đảm bảo cung cấp dịch vụ tốt cho lưu lượng mạng lựa chọn công nghệ lớp truyền dẫn Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (ATM), Ethernet 802.1 networks, SONET, với mạng IP Hay QoS tập hợp cơng nghệ mạng cho phép ứng dụng yêu cầu nhận mức dịch vụ theo kiểu lưu lượng liệu, băng thơng, độ trễ … Cịn theo ITU-T [45] QoS tổng hịa đặc tính dịch vụ viễn thông liên quan tới khả thỏa mãn yêu cầu quy định trước người dùng dịch vụ Các đặc tính như: Độ xác, tốc độ xử lý, độ khả dụng, độ sẵn sàng, độ tin cậy tính đơn giản dịch vụ Vì thế, QoS kết hợp yếu tố chất lượng tương ứng với tất dịch vụ như: hỗ trợ dịch vụ, thi hành dịch vụ, ảnh hưởng dịch vụ, trì dịch vụ, bảo tồn dịch vụ an tồn dịch vụ Vấn đề đảm bảo QoS mạng truyền liệu liên quan đến việc đảm bảo cho dịch vụ mạng truyền liệu thông số sau: - Về băng thông: tốc độ cần thiết để dịch vụ mạng gửi lưu lượng qua mạng, hay nói cách khác, dung lượng cần thiết để mạng hỗ trợ thông lượng dịch vụ mạng - Về độ trễ: thời gian mà gói liệu chuyển từ nút nguồn đến nút đích, đồng thời thời gian mà dịch vụ chấp nhận - Về độ trơi trễ: Độ trôi trễ khoảng chênh lệch thời gian thực gói liệu đến thời gian gói liệu phải đến theo lý thuyết - Về tỷ lệ tổn thất gói: phần trăm liệu mát, thường biểu diễn tỷ lệ gói, liệu, phụ thuộc vào khối thông tin phát Ngồi cịn số thơng số khác : tiếng vọng, độ tin cậy mạng, độ bảo mật mạng, tỉ số lỗi bit, ổn định lớp vật lý liên kết số liệu, ổn định định tuyến, hiệu phần cứng toàn mạng, thời gian cần để giải cố Đến nay, việc tiêu chuẩn hóa dịch vụ mạng truyền liệu – mạng viễn thông đại giúp mạng truyền liệu trở nên linh hoạt hiệu nhiều với dịch vụ mạng như: UGS (Unsolicited grant services), rtPS (Realtime polling services), nrtPS (Non-real-time polling services), BE (Best-Effort Service) ERT-VR (Extended real-time variable rate service) … Để phân tích cụ thể tính chất dịch vụ, ta xét bảng loại liệu, tương ứng với kiểu lưu lượng mạng truyền liệu nay: Bảng 1.1 Phân loại lưu lượng dịch vụ Loại lưu lượng Đặc điểm Các kiểu/loại liệu - Truyền liệu, tải liệu Dữ liệu Không thuộc thời gian thực - Truy cập Internet - Lưu trữ liệu - Dịch vụ VoIP Chuyển phát theo thời gian Thời - IPTV, VoD thực, không phục hồi thất gian thực - Hội thoại truyền hình lạc - Chơi game mạng Lưu Lưu lượng bắt buộc để trì - Đồng mạng 10 lượng ưu tiên độ ổn định mạng - Dữ liệu điều khiển định tuyến - Dữ liệu điều khiển chuyển mạch… Tương ứng với kiểu loại liệu trên, ITU-T khuyến nghị Y.154x [44] đề xuất yêu cầu QoS bảng sau: Bảng 1.2 Lớp dịch vụ chuẩn QoS Lớp dịch vụ/Dịch vụ đặc trưng Trễ trung bình Biến thiên trễ Tỷ lệ gói Lớp : Thời gian thực, nhạy trơi trễ 100ms