Điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP

Không nằm ngoài xu thế đó, mạng viễn thông của Việt Nam cũng đang nằm trong một lộ trình tất yếu là chuyển dần sang mạng thế hệ sau NGN và tiến tới IP hóa toàn IP, công nghệ IP được sử d

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI THỊ KIM HOA

ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG

MẠNG NGN TOÀN IP

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI THỊ KIM HOA

ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG MẠNG

NGN TOÀN IP

Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Mã số : 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Đinh Thế Cường

Hà Nội – 2012

Mục lục

Lời cam đoan 1

Danh mục các chữ viết tắt 7

Danh mục các bảng 9

Danh mục các hình vẽ 10

MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP 14

1.1 Cơ sở kỹ thuật mạng IP 14

1.1.1 Bộ giao thức TCP/IP 14

1.1.2 Địa chỉ IP 16

1.2 Mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network) 17

1.2.1 Sự cần thiết phải chuyển đổi sang mạng NGN 17

1.2.2 Khái niệm mạng NGN 19

1.2.3 Đặc điểm của mạng NGN 20

1.2.4 Nguyên tắc tổ chức và cấu trúc của mạng NGN 22

1.2.5 Lợi ích của mạng NGN 23

1.2.6 Mạng NGN toàn IP (NGN all-IP) 24

1.2.7 Vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng NGN 25

1.2.7.1 Các tham số đánh giá chất lượng mạng NGN 25

1.2.7.2 Các mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ 27

1.3 Các vấn đề về tắc nghẽn mạng 30

1.3.1 Tắc nghẽn là gì? 30

1.3.2 Nguyên nhân gây ra tắc nghẽn 31

1.3.3 Vấn đề tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP 32

1.4 Kết luận chương 34

CHƯƠNG 2 – NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP 35

2.1 Điều khiển tắc nghẽn là gì? 35

2.2 Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn 35

2.3 Phân loại các phương pháp điều khiển tắc nghẽn 36

2.3.1 Phân loại theo lý thuyết điều khiển 36

2.3.2 Điều khiển tắc nghẽn trên cơ sở cửa sổ hay tốc độ 41

2.4 Các tiêu chí đánh giá phương pháp điều khiển tắc nghẽn 41

2.4.1 Tính hiệu quả (Efficient) 41

2.4.2 Tính bình đẳng (Fairness) 42

2.4.3 Tính hội tụ (Convergence) 42

2.4.4 Tính phân tán (Distributedness) 43

2.5 Thuật toán tăng giảm 44

2.6 Phương pháp phản hồi tắc nghẽn tại bộ định tuyến 46

2.6.1 Các đặc điểm của phương pháp phản hồi tắc nghẽn tại bộ định tuyến 47

2.6.2 Các nguyên tắc thiết kế và các cơ chế liên quan 47

2.6.2.1 Định hướng truyền tải thông tin mạng 48

2.6.2.2 Cơ chế để truyền tải thông tin mạng 48

2.6.2.3 Thông tin phản hồi 49

2.6.2.4 Độ phức tạp 49

2.7 Kết luận chương 49

CHƯƠNG 3 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP 51

3.1 Điều khiển tắc nghẽn trong TCP 51

3.1.1 Các pha điều khiển tắc nghẽn 52

3.1.2 Cơ chế cửa sổ trượt 53

3.1.3 TCP Tahoe (Fast Retransmit) 53

3.1.4 TCP Reno (Fast Recovery) 54

3.1.5 TCP NewReno 54

3.1.6 TCP Vegas 55

3.2 RED (Random Early Detection) 55

3.3 ECN (Explicit Congestion Notification) 58

3.3.1 Đặc điểm của ECN 58

3.3.2 Bổ sung của ECN trong tiêu đề IP 59

3.3.3 Hoạt động của ECN 60

3.4 EWA (Explicit Window Adaptation) 60

3.5 FEWA (Fuzzy Explicit Window Adaptation) 62

3.6 CSFQ (Core-Stateless Fair Queueing) 66

3.7 FBA-TCP (Core-Stateless Fair Bandwidth Allocation for TCP) 67

3.8 ETCP (Enhanced TCP) 68

3.9 XCP (eXplicit Control Protocol) 70

3.10 QS-TCP (Quick Start TCP) 76

3.11 Kết luận chương 77

CHƯƠNG 4 – PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN VÀ ỨNG DỤNG 78

4.1 Phân tích một số kết quả mô phỏng 78

4.2 So sánh các phương pháp điều khiển tắc nghẽn 84

4.3 Khả năng ứng dụng của các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong môi trường mạng NGN toàn IP 86

4.3.1 (F)EWA 88

4.3.2 ETCP 88

4.3.3 XCP 89

4.3.4 CSFQ 90

4.3.5 FBA-TCP 90

4.3.6 QS-TCP 91

4.3.7 Tổng kết đặc trưng của các phương pháp điều khiển tắc nghẽn 91

4.4 Kết luận chương 93

KẾT LUẬN 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

Danh mục các chữ viết tắt

Decrease

Tăng cộng giảm nhân

cao

thái tại bộ định tuyến lõi

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

cho TCP

mờ

GS Guaranteed Service dịch vụ đảm bảo

điệp Internet

Internet

4

6

Union

Hiệp hội viễn thông quốc tế

Decrease

Tăng nhân giảm cộng

Decrease

Tăng nhân giảm nhân

thức

đất công cộng

công cộng

Danh mục các bảng

Bảng 2 1 Các nguyên lý thiết kế và đặc điểm của các phương pháp phản hồi tắc

nghẽn 49

Bảng 3 1 Bổ sung ECN trong tiêu đề IPv4 58

Bảng 3 2 Mã định dạng trong tiêu đề tắc nghẽn 72

Bảng 4 1 Các thông số độ trễ và băng tần mô phỏng 79

Bảng 4 2 So sánh các phương pháp phản hồi tắc nghẽn tại bộ định tuyến 85

Bảng 4 3 So sánh mức độ ứng dụng của các phương pháp phản hồi tắc nghẽn tại bộ định tuyến 92

Danh mục các hình vẽ

Hình 1 1 Mô hình OSI và TCP/IP 15

Hình 1 2 Kết nối liên mạng sử dụng giao thức IP 16

Hình 1 3 Sự hội tụ giữa các mạng 20

Hình 1 4 Cấu trúc chức năng của mạng NGN 23

Hình 1 5 Hệ thống mạng hội tụ 25

Hình 1 6 Các thành phần trong vùng DS 29

Hình 1 7 Chức năng của các nút biên và nút lõi trong vùng DS 29

Hình 1 8 Mối liên hệ giữa thông lượng, độ trễ và dung lượng 31

Hình 1 9 Cấu trúc vật lý của mạng NGN 33

Hình 2 1 Phân bổ tài nguyên cho nhiều dịch vụ 36

Hình 2 2 Nguyên lý gáo rò 37

Hình 2 3 Phân loại điều khiển tắc nghẽn 39

Hình 2 4 Điều khiển chống tắc nghẽn ABR trong ATM 40

Hình 2 5 Độ nhạy và độ mịn 43

Hình 2 6 Mô hình hệ thống gồm n người sử dụng chia sẻ một mạng 44

Hình 3 1 Minh hoạ thuật toán SS và CA 53

Hình 3 2 Cơ chế cửa sổ trượt 53

Hình 3 3 Nguyên lý hoạt động của hàng đợi RED 56

Hình 3 4 Loại bỏ gói tin RED theo xác suất p 57

Hình 3 5 Bổ sung của ECN trong tiêu đề TCP 60

Hình 3 6 Hoạt động của ECN 60

Hình 3 7 Hàm liên thuộc của hàng đợi chiều dài Q của FEWA 64

Hình 3 8 Hàm liên thuộc của tốc độ tăng trưởng hàng đợi của FEWA 64

Hình 3 9 Bề mặt điều khiển của bộ điều khiển FEWA đối với hệ số sử dụng α và của giải thuật FEWA cho cửa sổ gửi 65

Hình 3 10 Miền CSFQ với các bộ định tuyến biên (E) và lõi (C) 66

Hình 3 11 Kết nối TCP đơn đi qua vùng bộ định tuyến có khả năng CSFQ 67

Hình 3 12 Định dạng tiêu đề XCP 71

Hình 4 1 Mô hình mạng sử dụng trong mô phỏng 79

Hình 4 2 Thông lượng tổng thể trong trường hợp kích thước bộ đệm là 5Kbytes 80 Hình 4 3 Thông lượng tổng thể trong trường hợp kích thước bộ đệm là 30Kbytes 80 Hình 4 4 Số lượng gói tin bị loại bỏ 81 Hình 4 5 Mức độ sử dụng băng thông tại bộ định tuyến (kích thước bộ đệm là 10Kbytes) 81 Hình 4 6 Mức độ sử dụng băng thông tại bộ định tuyến (kích thước bộ đệm là 30Kbytes) 82 Hình 4 7 Sự thay đổi kích thước cửa sổ (kích thước bộ đệm là 5Kbytes) 82 Hình 4 8 Sự thay đổi kích thước cửa sổ (kích thước bộ đệm là 30Kbytes) 83 Hình 4 9 Sự thay đổi kích thước hàng đợi tại bộ định tuyến (kích thước bộ đệm

là 5Kbytes) 83 Hình 4 10 Sự thay đổi kích thước hàng đợi tại bộ định tuyến (kích thước bộ đệm là 30Kbytes) 84

MỞ ĐẦU

Khái niệm mạng thế hệ sau (hay mạng thế hệ mới/mạng thế hệ tiếp theo NGN - Next Generation Network) hiện không còn mới mẻ trên thế giới như một vài năm trước đây Phát triển và kinh doanh mạng thế hệ sau NGN đã và đang là vấn đề tất yếu và phức tạp trong ngành viễn thông vài năm gần đây Xu hướng phát triển của viễn thông là tiến tới hội tụ về mạng, hội tụ về dịch vụ, ứng dụng Không nằm ngoài xu thế đó, mạng viễn thông của Việt Nam cũng đang nằm trong một lộ trình tất yếu là chuyển dần sang mạng thế hệ sau NGN và tiến tới

IP hóa (toàn IP, công nghệ IP được sử dụng để tích hợp tất cả các dịch vụ) để có thể tiến tới liên lạc được mọi lúc, mọi nơi và bằng mọi phương tiện Bên cạnh

đó, nhu cầu cũng ngày càng gia tăng đối với các dịch vụ truyền thông mới, đòi hỏi khả năng đáp ứng việc cung cấp dịch vụ hoặc tăng tính cạnh tranh Việc bảo đảm chất lượng dịch vụ trở thành tiêu chí sống còn, là nguyên nhân dẫn tới thành công của các nhà cung cấp dịch vụ Một mạng toàn IP không chỉ cung cấp các dịch vụ truyền thống trên Internet như thư điện tử, truy nhập các trang web

mà còn cung cấp dịch vụ điện thoại cố định, điện thoại di động, truyền hình và các dịch vụ phân phối dữ liệu cảm biến và tất nhiên cũng gặp phải các vấn đề thường gặp của Internet như virus, truy nhập nặc danh hay tấn công DoS/DDoS Tài nguyên của mạng có giới hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin ngày càng tăng Chính vì vậy, hiện tượng tắc nghẽn mạng là khó tránh khỏi Việc quá tải hoặc tắc nghẽn của một dịch vụ có thể ảnh hưởng đến các dịch vụ còn lại

Để giải quyết vấn đề này có hai cách đó là: Tăng tài nguyên của mạng (mở rộng nút mạng, tăng các tuyến truyền dẫn, tăng băng thông của mạng …) và điều khiển để chống tắc nghẽn mạng Việc tăng tài nguyên mạng chi phí đầu tư lớn và không thể thường xuyên được Trong khi đó, việc điều khiển chống tắc nghẽn mạng sử dụng các giao thức, các thuật toán để điều khiển chống tắc nghẽn mạng Việc này chi phí đầu tư nhỏ, không ảnh hưởng đến phần cứng của mạng đồng thời rất mềm dẻo, linh hoạt Tuy nhiên, vấn đề điều khiển chông tắc nghẽn mạng rất phức tạp nhất là khi mạng ngày càng phát triển rộng lớn, dịch vụ gia tăng nhanh, các dịch vụ mới ngày càng nhiều, số lượng người sử dụng tăng lên nhanh chóng kèm theo vấn đề lưu lượng tăng vọt và biến đổi động Vì vậy, vấn đề điều khiển chống tắc nghẽn ngày càng trở nên cấp thiết Thực chất, vấn

đề điều khiển chống tắc nghẽn đã được nghiên cứu từ khá lâu và đã có các chuẩn, các thuật toán và giao thức điều khiển chống tắc nghẽn được công bố

Đề tài “Điều khiển chống tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP” tập

trung nghiên cứu các vấn đề về mạng NGN toàn IP, các vấn đề về điều khiển tắc nghẽn và hệ thống các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn cũng như khả năng ứng dụng của những phương pháp này trong mạng NGN toàn IP

Nội dung của luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP

Chương 2: Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng NGN toàn IP Chương 4: Phân tích các phương pháp điều khiển tắc nghẽn và ứng dụng

Do kiến thức còn hạn hẹp nên nội dung luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô và những người quan tâm đến lĩnh vực này

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo, PGS.TS.Đinh Thế Cường và các thầy cô trong khoa Điện tử viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này./

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Người thực hiện

Bùi Thị Kim Hoa

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP

lẻ dựa trên các giao thức khác nhau Do đó, khả năng kết nối giữa các hệ thống

là rất khó khăn

Giao thức IP độc lập với lớp liên kết dữ liệu Điều này cho phép truyền gói tin IP giữa hai điểm mà giữa chúng là các liên kết lớp 2 bất kỳ Việc truyền tin được thực hiện theo cơ chế phi kết nối Gói tin IP chứa địa chỉ bên nhận là số duy nhất trong toàn mạng và mang đầy đủ thông tin cho việc chuyển gói tới đích Dựa trên các bảng định tuyến, các gói tin IP được chuyển hướng tới đích Phương thức chuyển tin truyền thống là theo từng chặng một IP là một giao thức chuyển mạch gói có độ tin cậy và khả năng mở rộng cao nhưng lại không

hỗ trợ chất lượng dịch vụ

Mạng IP được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn toàn cầu của IETF Do

đó, thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau có thể dễ dàng tương hoạt Hiện nay, nếu nói tới tiêu chuẩn truyền thông phổ biến nhất thì đó chính là giao thức IP

1.1.1 Bộ giao thức TCP/IP

TCP/IP là bộ giao thức được phát triển bởi Cục các dự án nghiên cứu cấp cao (ARPA) của bộ quốc phòng Mỹ Hiện nay, TCP/IP được sử dụng rất phổ biến trong mạng máy tính, mà điển hình là mạng Internet TCP/IP được phát triển trước mô hình OSI Do đó, các tầng trong TCP/IP không tương ứng hoàn toàn với các tầng trong mô hình OSI Chồng giao thức TCP/IP được chia thành bốn tầng: giao diện mạng (network interface), liên mạng (internet), giao vận (transport) và ứng dụng (application)

Tầng ứng dụng: Tầng ứng dụng cung cấp các dịch vụ dưới dạng các giao

thức cho ứng dụng của người dùng Một số giao thức tiêu biểu tại tầng này gồm: FTP (File Transfer Protocol), Telnet (TErminaL NETwork), HTTP (Hyper Text Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), POP3 (Post Office

Protocol), DNS (Domain Name System); DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), SNMP (Simple Network Managament Protocol)

Hình 1 1 Mô hình OSI và TCP/IP

Tầng giao vận: Tầng giao vận chịu trách nhiệm chuyển phát toàn bộ

thông báo từ tiến trình-tới-tiến trình Tại tầng này có hai giao thức là TCP và UDP, mỗi giao thức cung cấp một loại dịch vụ giao vận: hướng kết nối và phi kết nối

Giao thức TCP (Transmission Control Protocol) là giao thức hướng kết nối, đầu cuối tới đầu cuối Giao thức TCP là giao thức lớp truyền tải đáng tin cậy, thực hiện chức năng nhận luồng dữ liệu từ chương trình ứng dụng, chia luồng dữ liệu nhận được thành các gói nhỏ có thể quản lý, sau đó gắn mào đầu vào trước mỗi gói Phần mào đầu này có chứa địa chỉ cổng nguồn và cổng đích Ngoài ra, nó còn chứa số trình tự để chúng ta biết gói này nằm ở vị trí nào trong luồng dữ liệu Sau khi nhận được một số lượng gói nhất định, phía nhận TCP sẽ gửi báo nhận lại cho phía gửi Ưu điểm của việc làm này là TCP có khả năng điều chỉnh việc gửi và nhận các gói tin

Giao thức UDP (User Datagram Protocol) là một giao thức truyền thông

phi kết nối, được dùng thay thế cho TCP ở trên IP theo yêu cầu của ứng dụng UDP không đảm bảo sự tin cậy, nó gửi gói tin vào tầng IP nhưng không có sự đảm bảo rằng gói tin sẽ đến được đích của chúng UDP có trách nhiệm truyền các thông báo từ tiến trình-tới-tiến trình, nhưng không cung cấp các cơ chế giám sát và quản lý UDP cũng cung cấp cơ chế gán và quản lý các số cổng để định danh duy nhất cho các ứng dụng chay trên một trạm của mạng Do ít chức năng

phức tạp nên UDP có xu thế hoạt động nhanh hơn so với TCP Nó thường được dùng cho các ứng dụng không đòi hỏi độ tin cậy cao trong giao vận

Tầng liên mạng: Tầng liên mạng trong chồng giao thức TCP/IP tương

ứng với tầng mạng trong mô hình OSI, cho phép kết nối nhiều mạng với các công nghệ khác nhau qua mạng lõi sử dụng giao thức IP Chức năng chính của tầng mạng là đánh địa chỉ lôgic và định tuyến gói tới đích Giao thức đáng chú ý nhất ở tầng liên mạng chính là giao thức liên mạng (IP – Internet Protocol) Ngoài ra còn có một số giao thức khác như ICMP, ARP và RARP

Hình 1 2 Kết nối liên mạng sử dụng giao thức IP

Tầng truy nhập mạng: Tầng truy nhập mạng đôi khi còn được gọi là giao

diện mạng Nó cung cấp giao tiếp với mạng vật lý Thông thường tầng này bao gồm các driver thiết bị trong hệ thống vận hành và các card giao diện mạng tương ứng trong máy tính Chức năng của tầng này là điều khiển tất cả các thiết

bị phần cứng, thực hiện giao tiếp vật lý với cáp hoặc với bất kỳ môi trường nào được sử dụng cũng như là kiểm soát lỗi dữ liệu phân bố trên mạng vật lý Tầng truy nhập mạng không định nghĩa một giao thức riêng nào cả mà hỗ trợ các giao thức chuẩn như Ethernet, Token Ring, X25, Frame Relay, ATM…

Địa chỉ IP là số hiệu nhận dạng được sử dụng ở tầng liên mạng của bộ giao thức TCP/IP hay IP là một địa chỉ của một trạm khi tham gia vào mạng nhằm giúp cho các trạm có thể chuyển thông tin cho nhau một cách chính xác, tránh thất lạc

Địa chỉ IP dùng để định danh duy nhất và toàn cục một trạm hoặc một bộ định tuyến trên toàn mạng Các địa chỉ IP là duy nhất theo nghĩa mỗi địa chỉ chỉ định danh một và chỉ một thiết bị trên liên mạng Hai thiết bị trên liên mạng không thể có cùng một địa chỉ IP Tuy nhiên một thiết bị có thể có nhiều địa chỉ

IP nếu chúng kết nối tới nhiều mạng vật lý khác nhau

Đối với phiên bản IPv4, địa chỉ này là một số nhị phân 32 bít Mỗi địa chỉ

IP gồm 4 byte (octet), định nghĩa 2 phần: địa chỉ mạng (NetID) và địa chỉ trạm (HostID) Các thành phần này chiều dài khác nhau tùy thuộc vào lớp địa chỉ (bao gồm 5 lớp: A, B, C, D và E)

Địa chỉ IP theo phiên bản IPv6 sử dụng 128 bit (16octet) để mã hoá dữ liệu, nó cho phép sử dụng nhiều địa chỉ hơn so với IPv4 Địa chỉ IP phiên bản IPv6 đang dần được đưa vào áp dụng bởi nguồn tài nguyên IPv4 đang cạn kiệt

do sự phát triển rất nhanh của công nghệ thông tin

1.2 Mạng thế hệ sau NGN (Next Generation Network)

1.2.1 Sự cần thiết phải chuyển đổi sang mạng NGN

Mạng PSTN dựa trên nền tảng công nghệ TDM và hệ thống báo hiệu số 7 (CCS7) Về cơ bản, mạng này vẫn có khả năng cung cấp tốt các dịch vụ viễn thông bình thường như thoại hay Fax với chất lượng khá ổn định Song nhu cầu của bản thân nhà cung cấp dịch vụ lẫn khách hàng ngày càng tăng làm bộc lộ những hạn chế không thể khắc phục được của mạng hiện tại Ngày nay thị trường viễn thông trong nước và thế giới đang ở trong cuộc cạnh tranh quyết liệt

do việc xóa bỏ độc quyền nhà nước và mở cửa tự do cho tất cả các thành phần kinh tế Các nhà cung cấp dịch vụ đang phải đứng trước sức ép giảm giá thành đồng thời tăng chất lượng dịch vụ Sự xuất hiện và phát triển bùng nổ của dịch

vụ Internet dẫn đến những thay đổi đột biến về cơ sở mạng buộc các nhà cung cấp dịch vụ phải “thay đổi tư duy” [1]

Một số hạn chế của mạng PSTN như sau:

Cứng nhắc trong việc phân bổ băng thông: Mạng PSTN dựa trên công

nghệ TDM trong đó đường truyền được phân chia thành các khung cố định và các khe thời gian (Timeslot) Kênh cơ sở được tính tương đương với một khe

thời gian là 64Kb/s Điều này dẫn đến một số bất lợi, ví dụ đối với nhiều loại dịch vụ đòi hỏi băng thông thấp hơn hay đối với các dịch vụ có nhu cầu băng thông thay đổi thì TDM cũng không thể đáp ứng được Kết nối TDM được phân

bổ lượng băng thông cố định (Nx64Kb/s) và các khe thời gian này được chiếm

cố định trong suốt thời gian diễn ra kết nối dẫn đến lãng phí băng thông Chuyển mạch gói quản lý băng thông mềm dẻo theo nhu cầu dịch vụ nên hiệu quả sử dụng băng thông cao hơn rất nhiều

Khó khăn cho việc tổ hợp mạng: Trước đây các loại dịch vụ viễn thông

khác nhau như thoại, dữ liệu hay video được cung cấp trên các mạng tách biệt nhau Nỗ lực tổ hợp tất cả các mạng này thành một mạng duy nhất được thực hiện từ những năm 80 với mô hình mạng ISDN băng hẹp Mô hình này vẫn dựa trên nền công nghệ TDM và gặp phải một số khó khăn như tốc độ thấp, thiết bị mạng phức tạp Ý tưởng mạng ISDN băng rộng dựa trên nền công nghệ ATM đã được đưa ra song có vẻ như quá đồ sộ và đắt đỏ đối với người tiêu dùng

Khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ mới: Trong mạng PSTN toàn bộ

phần “thông minh” của mạng đều tập trung ở các tổng đài Dịch vụ mới muốn được triển khai phải bắt đầu từ tổng đài Điều này dẫn đến sự thay đổi phần mềm và đôi khi cả phần cứng của tổng đài rất phức tạp và tốn kém Ngoài ra, nhu cầu của khách hàng không ngừng tăng và nhiều loại dịch vụ mới không thể thực hiện trên nền mạng TDM

Đầu tư cho mạng PSTN lớn, giá thiết bị cao, chi phí vận hành mạng lớn, không linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống, vốn đâu tư tập trung tại các trung tâm chuyển mạch: Đầu tư cho các thiết mạng PSTN, các tổng đài

thường rất đắt, chi phí nhân công cho việc vận hành bảo dưỡng mạng rất cao Các chức năng phần cứng và phần mềm đều tập trung tại tổng đài nên rất khó khăn khi cần thay đổi Mạng có nhiều cấp gây phức tạp trong việc phối hợp hệ thống báo hiệu, đồng bộ và triển khai dịch vụ mới Ngoài ra, việc thiết lập trung tâm quản lý mạng, hệ thống tính cước, chăm sóc khách hàng cũng rất phức tạp

Giới hạn trong phát triển mạng: Các tổng đài chuyển mạch nội hạt đều

sử dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh, trong đó các kênh thoại đều có tốc độ 64Kb/s Quá trình báo hiệu và điều khiển cuộc gọi liên hệ chặt chẽ với cơ cấu chuyển mạch Ngày nay, những lợi ích về mặt kinh tế của thoại gói đang thúc đẩy sự phát triển của cả mạng truy nhập và mạng đường trục từ chuyển mạch kênh sang gói Các tổng đài chuyển mạch kênh nội hạt truyền thống đóng vai trò cầu nối của cả hai mạng gói này Việc chuyển đổi gói sang kênh phải được thực hiện tại cả hai đầu vào và ra của chuyển mạch kênh, làm phát sinh những chi phí

phụ không mong muốn và tăng thêm trễ truyền dẫn cho thông tin, đặc biệt ảnh hưởng tới những thông tin nhạy cảm với trễ đường truyền như tín hiệu thoại Nếu tồn tại một giải pháp mà trong đó các tổng đài nội hạt có thể cung cấp dịch

vụ thoại và các dịch vụ tuỳ chọn khác ngay trên thiết bị chuyển mạch gói, thì sẽ không phải thực hiện các chuyển đổi không cần thiết nữa Điều này mang lại lợi ích kép là giảm chi phí và tăng chất lượng dịch vụ (giảm trễ đường truyền) Và

đó cũng là một bước quan trọng tiến gần tới cái đích cuối cùng là mạng NGN

Không đáp ứng được sự tăng trưởng nhanh của các dịch vụ dữ liệu: Sự

thật là ngày nay dịch vụ Internet phát triển với tốc độ chóng mặt, lưu lượng Internet tăng với cấp số nhân theo từng năm và triển vọng sẽ còn tăng mạnh vào những năm sau trong khi lưu lượng thoại cố định dường như có xu hướng bão hòa thậm chí giảm ở một số nước phát triển Các mạng cung cấp dịch vụ số liệu nói chung và Internet nói riêng nếu không cải tiến và áp dụng công nghệ mới thì

rõ ràng sẽ không thể đáp ứng được những nhu cầu ngày càng tăng này

Với yêu cầu về thay đổi công nghệ mạng như trên, mạng thế hệ sau NGN

đã được giới thiệu và ứng dụng ở một số quốc gia Thực tiễn triển khai cho thấy công nghệ mạng mới này đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về kĩ thuật và kinh doanh kể trên

1.2.2 Khái niệm mạng NGN

Mạng NGN là một khái niệm rộng, khó định nghĩa một cách chính xác, ngắn gọn Mặc dù các tổ chức viễn thông quốc tế và các nhà cung cấp thiết bị viễn thông trên thế giới đều rất quan tâm và nghiên cứu về chiến lược phát triển mạng NGN, nhưng vẫn chưa có một định nghĩa cụ thể và chính xác nào cho mạng NGN Do đó định nghĩa mạng NGN nêu ra ở đây không thể bao hàm hết mọi chi tiết về mạng thế hệ sau, nhưng có thể được coi là khái niệm chung nhất khi đề cập đến mạng NGN [1]

Khái niệm mạng NGN được nêu trong khuyến nghị Y.2001 của ITU-T như sau:

Mạng thế hệ sau (NGN) là mạng gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông và tạo ra nhiều ứng dụng băng thông rộng, các công nghệ truyền tải đảm bảo chất lượng dịch vụ và trong đó các chức năng dịch vụ độc lập với các công nghệ truyền tải liên quan phía dưới Nó cho phép truy nhập không giới hạn tới mạng, các nhà cung cấp dịch vụ và/hoặc các dịch vụ theo ý muốn Nó hỗ trợ tính di động cho các dịch vụ cung cấp tới người sử dụng sao cho đồng nhất và đảm bảo

Mạng gói (packet – oriented networks) như mạng Internet, thực hiện truyền dữ liệu giữa những hệ thống đầu cuối trong những đơn vị cố định hoặc biến đổi nhưng kích thước hạn chế gọi được gọi là gói Những nút mạng trung gian gọi là bộ định tuyến, thực hiện chuyển tiếp gói tin từ nguồn đến đích Mỗi

bộ định tuyến được trang bị một bộ đệm với kích thước hạn chế, gọi là hàng đợi, thực hiện lưu trữ tạm thời các gói tin không thể chuyển tiếp ngay lập tức

Như vậy, NGN có thể hiểu là mạng có hạ tầng thông tin duy nhất dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, triển khai các dịch vụ một cách đa dạng và nhanh chóng, đáp ứng sự hội tụ giữa thoại và số liệu, giữa cố định và di động Những khả năng và ưu điểm của NGN bắt nguồn từ sự tiến bộ của công nghệ thông tin

và các ưu điểm của công nghệ chuyển mạch gói và truyền dẫn quang băng rộng

1.2.3 Đặc điểm của mạng NGN

Mạng thông tin toàn cầu ngoài cung cấp dịch vụ truyền thoại và truyền số liệu, tương ứng với nó là 2 cơ sở hạ tầng mạng PSTN (thoại) và Internet (số liệu) còn một số mạng cung cấp dịch vụ khác như mạng di động mặt đất (PLMN), truyền hình cáp (CATV) Mỗi hệ thống này có mạng lưới truyền tải và truy nhập riêng, nhưng đều phải sử dụng chung mạng lưới chuyển mạch và đường trục cáp quang quốc gia, điều này gây ra nhiều phức tạp trong hệ thống quản lý viễn thông, giảm hiệu suất phục vụ, tăng chi phí vận hành bảo dưỡng

Hình 1 3 Sự hội tụ giữa các mạng

Mạng thế hệ sau NGN là một giải pháp tái kiến trúc mạng, tận dụng các

ưu thế về công nghệ tiên tiến nhằm đưa lại nhiều dịch vụ mới, mang lại nguồn

thu mới, góp phần giảm chi phí khai thác và đầu tư ban đầu cho các nhà kinh doanh Mục tiêu của mạng NGN là nhằm nâng cao khả năng cung cấp dịch vụ của các mạng hiện nay để có thể truyền đa dịch vụ trên nền tảng chuyển mạch gói, hình thành một cơ sở hạ tầng mạng viễn thông duy nhất sử dụng chung mạng lõi cho nhiều mạng truy nhập khác nhau

tổ chức mạng lưới Việc tiêu chuẩn hóa giao thức giữa các phần tử có thể thực hiện nối thông các mạng có cấu hình khác nhau

Dịch vụ phải thực hiện độc lập với mạng: Trong mạng NGN có sự chia

tách dịch vụ với điều khiển cuộc gọi, chia tách cuộc gọi với truyền tải Mục tiêu chính của chia tách là làm cho dịch vụ thực sự độc lập với mạng, thực hiện một cách linh hoạt và có hiệu quả việc cung cấp dịch vụ.Thuê bao có thể tự bố trí và xác định đặc trưng dịch vụ của mình, không quan tâm đến mạng truyền tải dịch

vụ và loại hình đầu cuối Điều đó làm cho việc cung cấp dịch vụ và ứng dụng có tính linh hoạt cao

NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một bộ giao thức thống nhất:

Từ trước đến nay, các mạng viễn thông, mạng máy tính hay truyền hình cáp đã tồn tại và cung cấp dịch vụ một cách riêng biệt Nhưng mấy năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ IP, người ta mới nhận thấy là các mạng trao đổi thông tin này cuối cùng rồi cũng tích hợp trong một mạng IP thống nhất, đó là

xu thế mà người ta thường gọi là “dung hợp ba mạng” Giao thức IP làm cho các dịch vụ lấy IP làm cơ sở có thể thực hiện nối thông các mạng khác nhau; con người lần đầu tiên có được giao thức thống nhất mà ba mạng lớn đều có thể chấp nhận được; đặt cơ sở vững chắc về mặt kỹ thuật cho hạ tầng cơ sở thông tin quốc gia Giao thức IP thực tế đã trở thành giao thức ứng dụng vạn năng và bắt đầu được sử dụng làm cơ sở cho các mạng đa dịch vụ, mặc dù hiện tại vẫn còn ở thế bất lợi so với các chuyển mạch kênh về khả năng hỗ trợ lưu lượng thoại và cung cấp chất lượng dịch vụ đảm bảo cho số liệu Tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới Internet được tạo điều kiện bởi sự phát triển của các tiêu chuẩn

mở sẽ sớm khắc phục những thiếu sót này

NGN là mạng có dung lượng ngày càng tăng và tính thích ứng cao, có

đủ năng lực để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng: Với việc sử dụng nền

chuyển mạch gói và cấu trúc mở, mạng NGN có khả năng cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ, đặc biệt là các dịch vụ yêu cầu băng thông cao như truyền thông đa phương tiện, truyền hình, giáo dục, … Vì vậy dung lượng mạng phải ngày càng tăng để đáp ứng nhu cầu người sử dụng, đồng thời mạng NGN cũng phải có khả năng thích ứng với những mạng viễn thông đã tồn tại trước nó nhằm tận dụng cơ sở hạ tầng mạng, dịch vụ và khách hàng sẵn có

1.2.4 Nguyên tắc tổ chức và cấu trúc của mạng NGN

Mạng thế hệ sau được tổ chức dựa trên những nguyên tắc cơ bản sau:

- Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú, đa dạng, đa dịch vụ, đa phương tiện

- Mạng có cấu trúc đơn giản

- Nâng cao hiệu quả sử dụng chất lượng mạng lưới và giảm thiểu chi phí khai thác, bảo dưỡng

- Dễ dàng mở rộng dung lượng, phát triển các dịch vụ mới

- Độ linh hoạt và tính sẵn sàng cao, năng lực tồn tại mạnh

Việc tổ chức mạng dựa trên số lượng thuê bao theo vùng địa lý và nhu cầu phát triển dịch vụ, không tổ chức theo địa bàn hành chính mà tổ chức theo vùng mạng hay vùng lưu lượng

Do đó, việc xây dựng mạng thế hệ sau NGN cần tuân thủ những chỉ tiêu:

- NGN phải có khả năng hỗ trợ cả cho các dịch vụ của các mạng riêng lẻ khác nhau

- Một kiến trúc NGN khả thi phải hỗ trợ dịch vụ qua nhiều nhà cung cấp khác nhau Mỗi nhà cung cấp mạng hay dịch vụ là một thực thể riêng lẻ với mục tiêu kinh doanh và cung cấp dịch vụ khác nhau, có thể sử dụng những dịch

vụ và giao thức khác nhau Một vài dịch vụ có thể do chỉ một nhà cung cấp đưa

ra nhưng tất cả các dịch vụ đều phải được truyền qua mạng một cách thông suốt

từ đầu cuối đến đầu cuối

- Mạng phải hỗ trợ tất cả các loại kết nối, hữu tuyến cũng như vô tuyến Cho đến nay, chưa có một khuyến nghị chính thức nào của Liên minh viễn thông thế giới ITU về cấu trúc của mạng NGN Các hãng viễn thông lớn đã đưa

ra mô hình cấu trúc mạng thế hệ mới như Alcatel, Ericssion, Nortel, Siemens,

Lucent, NEC,…Bên cạnh việc đưa ra nhiều mô hình cấu trúc mạng NGN khác nhau và kèm theo là các giải pháp mạng cũng như các sản phẩm thiết bị mới khác nhau Cấu trúc mạng NGN được đưa ra có đặc điểm chung là bao gồm các lớp chức năng sau:

- Lớp kết nối (truy nhập và truyền dẫn)

- Lớp trung gian hay lớp truyền thông

- Lớp điều khiển

- Lớp quản lý

Hình 1 4 Cấu trúc chức năng của mạng NGN

Trong các lớp trên, lớp điều khiển hiện nay rất phức tạp với nhiều loại giao thức, khả năng tương thích giữa các thiết bị là vấn đề đang được các nhà khai thác quan tâm

1.2.5 Lợi ích của mạng NGN

Vì mạng NGN hội tụ các mạng truyền thống riêng lẻ vào một kết cấu thống nhất để hình thành nên hạ tầng thông tin duy nhất, dựa trên công nghệ chuyển mạch gói nên nó cho phép triển khai các dịch vu một cách nhanh chóng

và đa dạng, đáp ứng sự hội tụ giữa các thông tin thoại, truyền dữ liệu và Intemet, giữa cố định và di động với giá thành hợp lý

Ứng dụng mạng NGN cho phép giảm thiểu thời gian đưa dịch vụ mới ra thị trường; nâng cao hiệu suất sử dụng và truyền dẫn với công nghệ ghép kênh bước sóng quang DWDM chiếm lĩnh ở lớp vật lý và công nghệ IP/MPLS làm nền tảng cho lớp mạng

Mạng NGN cho phép các nhà cung cấp dịch vụ tăng cường khả năng kiểm soát, bảo mật thông tin của khách hàng Đáp ứng được hầu hết các nhu cầu của nhiều đối tượng sử dụng như doanh nghiệp, văn phòng, các hệ thống mạng máy tính lớn với các giao thức chuẩn và giao diện thân thiện Ngoài ra, mạng NGN đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kinh doanh mới của khách hàng; linh hoạt trong sử dụng các giao diện mở đa truy nhập, đa giao thức để cung cấp các dịch

vụ cho khách hàng mà không phụ thuộc quá nhiều vào các nhà cung cấp thiết bị

và khai thác mạng lưới, đem lại lợi ích lớn trong đầu tư cho các doanh nghiệp Với tính thông minh của mạng, mạng NGN cũng tạo tiền đề cho các bước phát triển của công nghệ mạng và các dịch vụ mới trong tương lai

Một ưu điểm nữa của mạng NGN là có thể được phát triển bởi các nhà khai thác mới không yêu cầu có sẵn cơ sở hạ tầng hay chỉ cần nâng cấp, mở rộng trên cấu trúc mạng sẵn có Ngày nay, công nghệ MPLS (chuyển mạch nhãn

đa giao thức) là kỹ thuật được công nhận cho mạng hội tụ ở Việt Nam MPLS đang dẫn đầu về các mức linh hoạt, tính đảm bảo và an toàn mà ngày nay chưa

có một công nghệ nào khác có thể thỏa mãn được

Sự tiến bộ trong công nghệ, sức cạnh tranh mạnh mẽ và một môi trường phát triển thông thoáng sẽ làm thay đổi tận gốc các công nghệ truyền thông thoại, dữ liệu và dịch vụ video Một cách tương ứng, các nhà cung cấp dịch vụ cũng đang thay đổi mô hình kinh doanh của mình một cách mạnh mẽ, không chỉ

hạ giá thành sản phẩm dịch vụ mà còn tạo ra những dòng doanh thu khác biệt, mới mẻ

1.2.6 Mạng NGN toàn IP (NGN all-IP)

Ý tưởng chính của NGN toàn IP là xây dựng một hệ thống mạng duy nhất vận chuyển tất cả thông tin và dịch vụ (dữ liệu, âm thanh và hình ảnh) bằng cách đóng gói chúng vào các gói tin IP, giống như trên mạng Internet NGN được xây dựng dựa theo các giao thức thông thường của Internet, và vì thế thuật ngữ “all-IP” (toàn IP) đôi khi được dùng để diễn tả quá trình trao đổi thông tin trong mạng NGN

Trung tâm của mạng NGN toàn IP chính là sự hội tụ của 3 yếu tố: hội tụ mạng (Application Convergence), hội tụ dịch vụ (Service Convergence), hội tụ ứng dụng (Network Convergence) [3]:

1.2.7 Vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng NGN

1.2.7.1 Các tham số đánh giá chất lượng mạng NGN

Mạng NGN là mạng hạ tầng thông tin dựa trên công nghệ chuyển mạch gói nên việc đánh giá chất lượng mạng chủ yếu dựa trên 4 tham số cơ bản là: băng thông, độ trễ gói, trượt (jitter) và tỉ lệ mất gói

Băng thông (Bandwidth): Thuật ngữ băng thông được sử dụng để chỉ

khả năng truyền một lượng dữ liệu của một giao thức, phương tiện hoặc của một kết nối Băng thông thực tế đạt được dựa trên thỏa thuận kết nối dịch vụ giữa nhà cung cấp với khách hàng hay giữa các nhà cung cấp với nhau Có vẻ như cách tốt nhất để giải quyết vấn đề băng thông là dành càng nhiều băng thông cho

các kết nối càng tốt Tuy nhiên thực tế để tăng băng thông, ngoài chi phí phát triển mạng lưới còn phát sinh các vấn đề về trễ như trong các mạng hội tụ nhiều dịch vụ

Trễ (Delay): Tất cả các gói tin trong mạng đều trải qua một vài khoảng

trễ nhất định trước khi tới được đích, hay nói cách khác trễ có rất nhiều loại, ở đây chỉ nêu ra một số loại cơ bản sau:

Trễ lan truyền (Propagation Delay): Được định nghĩa là khoảng thời gian

cần thiết để truyền 1 bit thông tin từ nơi gửi đến đích trên một liên kết môi trường vật lý

Trễ mạng (Network Delay): Đây là thời gian để một thiết bị nhận và

chuyển một gói đi Khoảng thời gian này thường nhỏ hơn 10μs Tất cả các gói trong một luồng không có cùng độ trễ trong mạng Độ trễ của mỗi gói biến đổi tuỳ theo điều kiện của từng chặng trên mạng Nếu mạng không bị tắc nghẽn, các

bộ định tuyến sẽ không cần có hàng đợi, do đó trễ chuyển gói sẽ không còn Điều này làm giảm rất nhiều độ trễ gói trong mạng Nếu mạng bị tắc nghẽn trễ hàng đợi sẽ ảnh hưởng rất lớn tới gói và gây ra sự biến đổi trễ của gói Sự biến đổi trễ của mỗi gói là khác nhau và điều này gọi là jitter Tóm lại trễ mạng là biến đổi và khó xác định trước nó phụ thuộc vào nhà cung cấp, trạng thái các tuyến trong mạng, vấn đề tắc nghẽn, Trong một số trường hợp nhà cung cấp có thể giới hạn trễ này tùy theo thỏa thuận mức dịch vụ giữa nhà cung cấp và khách hàng hay giữa các nhà cung cấp với nhau

Trễ chuyển tiếp và xử lý ( Forwading/ Processing Delay): Trễ xuất hiện

do nguồn đẩy gói ra chậm so với tốc độ quy định Loại trễ này phụ thuộc vào băng thông của kết nối cũng như kích thước gói được đẩy ra

Trượt (Jitter): Jitter được định nghĩa là sự biến đổi trễ xuyên qua mạng

trong quá trình truyền tin Nguyên nhân chính của Jitter là thời gian trễ của các gói tin khi được phân phát từ nơi gửi đến đích là khác nhau Trong mạng chuyển mạch gói, với các thành phần có trễ biến đổi thì hiện tượng Jitter luôn xảy ra Do

đó, một vấn đề cần đặt ra là làm sao cho ảnh hưởng của Jitter không đủ để làm suy giảm chất lượng dịch vụ

Mất gói (Loss Packet): Tỉ lệ mất gói chỉ ra số lượng gói bị mất trong

mạng trong suốt quá trình truyền dẫn Mất gói do hai nguyên nhân chính: gói bị loại bỏ khi mạng bị tắc nghẽn nghiêm trọng hoặc gói bị mất khi đường kết nối bị lỗi Loại bỏ gói có thể xảy ra tại các điểm tắc nghẽn khi số lượng gói đến vượt quá kích thước hàng đợi tại đầu ra

1.2.7.2 Các mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ

Một trong những nguyên do thúc đẩy các nhà cung cấp dịch vụ nỗ lực phát triển và chuyển đổi sang mạng NGN là nhằm thỏa mãn nhu cầu dịch vụ của khách hàng Theo khuyến nghị ITU-T Rec E 800 thì QoS là tập hợp những tham số, ý kiến thể hiện mức độ hài lòng của khách hàng đối với dịch vụ nào đó

Để triển khai QoS trong mạng viễn thông, các mô hình QoS (hay kỹ thuật QoS) khác nhau đã được đề xuất bao gồm:

Mô hình Best Effort: Mô hình Best Effort là mô hình đơn và phổ biến

trên các mạng IP nói chung, cho phép ứng dụng gửi dữ liệu bất cứ khi nào với bất cứ khối lượng nào nó có thể thực hiện và không đòi hỏi sự cho phép hoặc thông tin về mạng, nghĩa là mạng phân phối dữ liệu nếu nó có thể mà không cần

sự đảm bảo về độ tin cậy, độ trễ hoặc khả năng thông mạng

Các yêu cầu trên mạng được đối xử theo nguyên tắc First –in – First – out Điều này có nghĩa là tất cả các yêu cầu có cùng mức độ ưu tiên, không có khả năng dành trước băng thông cho các kết nối đặc biệt, ưu tiên Dịch vụ Best Effort rất phù hợp cho những ứng dụng của mạng dải rộng như truyền file hoặc email Cho đến thời điểm này đa phần các dịch vụ được cung cấp bởi mạng Internet vẫn sử dụng mô hình dịch vụ này Tuy nhiên, mô hình này có nhược điểm là không đảm bảo chất lượng dịch vụ, các gói tin không có sự ưu tiên trong đối xử

Mô hình tích hợp dịch vụ (IntServ): Tổ chức IETF đã chuẩn hóa và đưa

ra mô hình này để tích hợp các dịch vụ khác nhau trên mạng IP(RFC1633) Mô hình này không những đáp ứng các dịch vụ Best Effort mà còn hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực ngày càng tăng trên mạng IP Tích hợp dịch vụ được phát triển để tối ưu hóa mạng và sử dụng tài nguyên cho các ứng dụng thời gian thực (do trễ và tắc nghẽn làm cho các ứng dụng thời gian thực hoạt động không hiệu quả trên mô hình Best-Effort)

Mô hình IntServ yêu cầu dành trước tài nguyên cho mỗi một phiên bằng cách sử dụng giao thức dành trước nguồn tài nguyên (Resource Reservation Protocol - RSVP) Các mức QoS cung cấp bởi IntServ gồm: dịch vụ Best Effort; dịch vụ đảm bảo GS (Guaranteed Service) và dịch vụ kiểm soát tải CL (Controlled Load)

Dịch vụ đảm bảo GS (Guaranteed Service): cung cấp các dịch vụ chất lượng cao như: dành riêng băng thông, giới hạn độ trễ tối đa và không bị mất gói

tin trong hàng đợi Các ứng dụng có thể kể đến: Hội nghị truyền hình chất lượng cao, thanh toán tài chính thời gian thực

Dịch vụ kiểm soát tải CL (Controlled Load): CL không đảm bảo về băng tần hay trễ, nhưng khác với Best Effort ở điểm không giảm chất lượng một cách đáng kể khi tải mạng tăng lên Dịch vụ này phù hợp cho các ứng dụng không nhạy cảm lắm với độ trễ hay mất gói như truyền hình multicast audio/video chất lượng trung bình

Việc đưa ra mô hình IntServ có vẻ như giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến QoS trong mạng IP Tuy nhiên trong thực tế mô hình này đã không đảm bảo được QoS từ đầu cuối tới đầu cuối (end to end) Đã có nhiều cố gắng nhằm thay đổi điều này nhằm đạt một mức QoS cao hơn cho mạng IP, và một trong những cố gắng đó là sự ra đời của DiffServ

Mô hình phân biệt dịch vụ (DiffServ):

Mô hình phân biệt dịch vụ DiffServ được chuẩn hóa và đưa ra bởi tổ chức IETF (RFC 2475) DiffServ sử dụng việc đánh dấu gói và xếp hàng theo loại để

hỗ trợ dịch vụ ưu tiên qua mạng IP Mục tiêu phát triển của mô hình Diffserv là cung cấp cơ chế phân biệt các dịch vụ thành các lớp dịch vụ khác nhau tương ứng với yêu cầu QoS khác nhau Diffserv chỉ phân biệt đối xử tới các lớp lưu lượng khác nhau nên không cung cấp mức QoS cụ thể

Kiến trúc của mô hình phân biệt dịch vụ được định nghĩa trong RFC2475 Trong đó, mạng được chia thành các miền phân biệt dịch vụ DS (DS region), trong một miền DS có một hoặc nhiều vùng phân biệt dịch vụ (DS domain) kế tiếp nhau Một vùng DS gồm các bộ định tuyến hỗ trợ cơ chế phân biệt dịch vụ, còn gọi là các nút DS (DS node) Một vùng DS được phân ranh giới bởi một đường biên DS (DS Boundary) Một nút DS đặt tại đường biên DS được gọi là nút biên DS (DS Boundary node), nút DS đặt bên trong miền DS được gọi là nút bên trong (Interior node) Các lưu lượng đi vào một vùng DS thông qua nút biên đầu vào và đi ra thông qua nút biên đầu ra (router biên và router lõi)

Các nút biên DS thực thi việc phân loại và điều khiển tiếp nhận lưu lượng để đảm bảo các gói tin đi qua vùng DS được đánh dấu thích hợp Các nút bên trong vùng DS hay còn gọi là nút lõi thực hiện lựa chọn cách chuyển tiếp cho gói tin dựa trên điểm mã dịch vụ DSCP (DS codepoint) của chúng, sắp xếp vào một trong các PHB (Per Hop Behavior) theo yêu cầu PHB là các xử lý cố định cho mỗi lớp dịch vụ tại mỗi hop tương ứng với các yêu cầu QoS của nó

Hình 1 6 Các thành phần trong vùng DS

Mô hình này sử dụng trường kiểu dịch vụ (Type of Service - ToS) trong tiêu

đề IPv4 và trường lớp lưu lượng (Traffic Class - TC) trong tiêu đề IPv6 để đánh dấu gói tin DSCP là giá trị 6 bít, được mang trong các trường này để tạo ra các lớp dịch vụ khác nhau và khi đã được thực thi trong các bộ định tuyến trong vùng DS thì các trường này được thay thế bằng trường phân biệt dịch vụ (Diffserv field)

Chức năng của các nút biên và nút lõi được chỉ ra trong Hình 1.7 sau:

Hình 1 7 Chức năng của các nút biên và nút lõi trong vùng DS

Như vậy, so với mô hình IntServ, mô hình DiffServ có một số ưu điểm được chỉ ra trong Bảng 1.1:

Phân loại Chính sách

lưu lượng

Đánh dấu gói tin

Lập lịch gói tin

Tại bộ định tuyến biên

Phân loại dựa vào trường DSCP

Lập lịch gói tin

Tại bộ định tuyến lõi

Bảng 1 1 So sánh mô hình IntServ và mô hình DiffServ

Không dùng bất kì giao thức báo hiệu

nào để dành trước băng thông mạng Do

vậy tiết kiệm được băng thông mạng

Dùng giao thức báo hiệu RSVP

Phân loại và xét ưu tiên gói trên từng

1.3 Các vấn đề về tắc nghẽn mạng

1.3.1 Tắc nghẽn là gì?

Tắc nghẽn là một hiện tượng rất quen thuộc trên mạng, mà nguyên nhân nói chung là do tài nguyên mạng giới hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin của con người là không có giới hạn Nói cách khác, tắc nghẽn là một trạng thái của phần tử mạng mà khi đó mạng không thể đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng mạng đã thỏa thuận cho một kết nối đã được thiết lập

Hiện tượng tắc nghẽn mạng làm lãng phí tài nguyên mạng và gây ra nhiều ảnh hưởng không tốt, làm giảm chất lượng dịch vụ của mạng Thông thường, nút mạng được thiết kế với một bộ đệm lưu trữ có hạn Nếu tình trạng nghẽn mạng kéo đủ dài, bộ đệm bị tràn, các gói sẽ bị mất hoặc trễ quá thời gian cho phép Nếu một gói bị mất trên mạng thì tại thời điểm ấy các tài nguyên mạng mà gói đó đã sử dụng cũng bị mất theo Hiện tượng này có thể được kiểm soát nếu

tổ chức hoạt động các thành phần cấu thành mạng một cách hợp lí Tắc nghẽn mạng chỉ có thể tránh được khi lượng dữ liệu đưa lên mạng được hạn chế ở mức

mà mạng có thể truyền được Đây chính là mục tiêu cơ bản nhất của các thuật toán điều khiển tắc nghẽn mạng

1.3.2 Nguyên nhân gây ra tắc nghẽn

Nguyên nhân chính là do bản chất tự nhiên của dữ liệu người dùng đưa vào mạng Khi mạng không kịp ứng phó với sự gia tăng đột ngột của lưu lượng (không đủ bộ nhớ để lưu các gói tin trên hàng đợi), tắc nghẽn sẽ xảy ra Khi số lượng gói số liệu đến mạng còn tương đối nhỏ, nằm trong khả năng vận tải của

nó, chúng sẽ được phân phát đi hết, số lượng gói số liệu được chuyển đi tỉ lệ thuận với số lượng gói số liệu đến mạng Do luôn có một tỉ lệ gói số liệu phải phát lại do bị lỗi trong quá trình vận chuyển, lưu lượng mà mạng thực sự phải vận chuyển nhìn chung lớn hơn lưu lượng đi qua mạng (thông lượng)

Khi lưu lượng đến cao quá một mức nào đó, các nút mạng không còn đủ khả năng chứa và chuyển tiếp các gói số liệu, do đó các nút mạng bắt đầu phải loại bỏ các gói số liệu Bên gửi sẽ phát lại các gói số liệu không được biên nhận sau một khoảng thời gian nhất định, gọi là thời gian hết giờ (timed out) Nếu lưu lượng đến mạng tiếp tục tăng lên nữa, tỉ lệ gói số liệu phát lại trên tổng số gói số liệu trong mạng có thể tăng đến 100%, nghĩa là không có gói số liệu nào được phân phát đi cả, thông lượng của mạng giảm xuống bằng không, mạng bị nghẽn hoàn toàn

Hình 1.8 thể hiện mối liên hệ giữa thông lượng, độ trễ gói với lượng tải đưa vào mạng Trong đó, thông lượng trong mạng là số lượng gói tin truyền qua mạng trong một đơn vị thời gian

Hình 1 8 Mối liên hệ giữa thông lượng, độ trễ và dung lượng

Một số yếu tố nữa có thể dẫn đến tắc nghẽn, ngay cả khi lưu lượng đi vào mạng thấp hơn khả năng vận tải của mạng Chẳng hạn, khi số lượng gói số liệu

đến trên hai hoặc ba lối vào của một nút mạng đều cần đi ra trên cùng một đường truyền để đến đích, chúng sẽ phải xếp hàng đợi được truyền đi Nếu tình trạng trên kéo dài, hàng đợi sẽ dài dần ra và đầy, không còn chỗ cho các gói số liệu mới đến, chúng bị loại bỏ và sẽ được phát lại, làm tăng tỉ lệ gói số liệu phát lại trong mạng Biện pháp khắc phục bằng cách tăng kích thước hàng đợi (bộ nhớ) tại các nút mạng trong một chừng mực nào đó là có ích, tuy nhiên, người ta

đã chứng minh được rằng, tăng kích thước hàng đợi quá một giới hạn nào đó sẽ không mang lại lợi ích gì, thậm chí còn có thể làm cho vấn đề tắc nghẽn tồi tệ hơn Đó là vì các gói số liệu sẽ bị hết giờ ngay trong quá trình xếp hàng, bản sao của chúng đã được bên gửi phát lại rồi, làm tăng số lượng gói số liệu phát lại trong mạng

Tốc độ xử lý chậm, cấu hình bộ định tuyến kém cũng là một nguyên nhân quan trọng gây nên tắc nghẽn, bởi vì chúng có thể sẽ làm hàng đợi bị tràn ngay

cả khi lưu lượng gói số liệu đến nút mạng nhỏ hơn năng lực vận tải của đường truyền đi ra Các đường truyền dung lượng thấp cũng có thể gây ra tắc nghẽn Việc tăng dung lượng đường truyền nhưng không nâng cấp bộ xử lý tại nút mạng, hoặc chỉ nâng cấp từng phần của mạng đôi khi cũng cải thiện được tình hình đôi chút, nhưng thường chỉ làm cái “cổ chai”, nơi xảy ra tắc nghẽn, dời đi chỗ khác mà thôi Giải quyết vấn đề tắc nghẽn nói chung, cần đến các giải pháp đồng bộ

Tắc nghẽn có khuynh hướng tự làm cho nó trầm trọng thêm Nếu một nút mạng nào đó bị tràn bộ đệm, gói số liệu đến sẽ bị loại bỏ, trong khi đó nút mạng bên trên, phía người gửi, vẫn phải giữ bản sao của gói số liệu đã gửi trong hàng đợi, cho đến khi hết giờ để phát lại Việc phải giữ bản sao gói số liệu trong hàng đợi để chờ biên nhận, cộng thêm việc có thể phải phát lại gói số liệu một số lần

có thể làm cho hàng đợi tại chính nút trên cũng có thể bị tràn Sự tắc nghẽn lan truyền ngược trở lại phía nguồn phát sinh ra gói số liệu

chắn, pha đinh… gây ra mất gói và ảnh hưởng đến tắc nghẽn mạng

Do nghẽn cổ chai: tại điểm đấu nối từ các mạng tốc độ thấp vào mạng tốc

độ cao Đây là một trong những đặc điểm nổi bật của môi trường hỗn tạp NGN

Nhu cầu băng thông cao của các dịch vụ đa phương tiện và các loại hình dịch vụ mới: dữ liệu, âm thanh và hình ảnh được tích hợp truyền trên nền tảng

mạng duy nhất NGN toàn IP gây ra tắc nghẽn tại các đường truyền dẫn băng thông nhỏ

Lưu lượng lớn, thay đổi đột biến và biến đổi động: Thông thường, các ứng

dụng mới trong mạng NGN được thiết kế với nhu cầu lưu lượng truyền tải lớn (đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến cơ sở dữ liệu phân tán, hay VoIP, Video, IPTV…) Mặt khác, những ứng dụng đa phương tiện có đặc điểm là lưu lượng biến đổi động khó dự đoán trước được

Tính biến động của mạng, hình trạng mạng: Đây là một đặc tính mới của

mạng NGN so với mạng truyền thống Các nút mạng có thể dịch chuyển làm hình trạng mạng thay đổi gây ra những biến đổi về phân chia lưu lượng trên mạng

1.4 Kết luận chương

Chương này đã mô tả các vấn đề tổng quan, làm cơ sở cho nội dung chính được đề cập đến trong luận văn Các nội dung này bao gồm: giao thức IP, mạng NGN và vấn đề tắc nghẽn trong môi trường mạng NGN Mạng NGN là một môi trường đa dịch vụ, vấn đề tắc nghẽn là không thể tránh khỏi Chương 2 sẽ trình bày về các nguyên lý điều khiển tắc nghẽn, các quan điểm phân loại phương pháp điều khiển tắc nghẽn cũng như các tiêu chí đánh giá một hệ thống điều khiển tắc nghẽn có tính đến các yếu tố ứng dụng trong môi trường mạng mới

CHƯƠNG 2 – NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGN TOÀN IP

2.1 Điều khiển tắc nghẽn là gì?

Điều khiển tắc nghẽn liên quan đến kỹ thuật và cơ chế để có thể ngăn ngừa tắc nghẽn trước khi xảy ra hoặc loại bỏ tắc nghẽn sau khi xảy ra Mục tiêu của cơ chế điều khiển tắc nghẽn chỉ đơn giản là để sử dụng mạng một cách hiệu quả nhất có thể Đó có thể là đạt được thông lượng cao nhất có thể trong khi vẫn

có tỷ lệ mất gói tin thấp, trễ nhỏ [21]

Các kỹ thuật tránh tắc nghẽn và điều khiển tắc nghẽn được sử dụng để tránh tắc nghẽn xảy ra trong mạng Tại các điểm tắc nghẽn (ví dụ điểm kết nối giữa một mạng LAN và mạng WAN), lưu lượng đầu vào nút mạng vượt quá băng thông đầu ra Khi mạng rơi vào tình trạng tắc nghẽn, lưu lượng yêu cầu cao trong khi thông lượng nhỏ, tỷ lệ mất và trễ gói cao (các bộ định tuyến loại bỏ gói tin do hàng đợi đầu ra đã đầy) và chất lượng dịch vụ nhìn chung thấp Các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn tốt sẽ thực hiện loại bỏ tắc nghẽn đồng thời làm thế nào để sử dụng có hiệu quả tất cả năng lực sẵn có

Điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn là hai khái niệm khác nhau, nhưng liên quan chặt chẽ với nhau Điều khiển lưu lượng liên quan đến việc vận chuyển giữa một người gửi đã biết nào đó và một người nhận Nhiệm vụ của nó

là đảm bảo rằng bên gửi có tốc độ nhanh không thể tiếp tục truyền dữ liệu nhanh hơn mức mà bên nhận có thể tiếp thu được Điều khiển lưu lượng là để tránh tắc nghẽn, còn điều khiển tắc nghẽn là để giải quyết vấn đề tắc nghẽn khi nó xuất hiện hoặc có dấu hiệu sắp xảy ra Trong thực tế triển khai thực hiện các thuật toán điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn, nhiều khi cả hai thuật toán này cùng được cài đặt trong một giao thức, thể hiện ra như là một thuật toán duy nhất, thí dụ trong giao thức TCP

2.2 Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn

Hiện tượng tắc nghẽn xảy ra dẫn đến việc thông lượng của mạng bị giảm

đi khi lưu lượng đến mạng tăng lên Nguyên lý chung để điều khiển tắc nghẽn là:

- Duy trì điểm hoạt động của mạng luôn ở mức lưu lượng đưa vào nhỏ

- Đảm bảo các bộ đệm của bộ định tuyến không bị tràn

- Đảm bảo phía gửi dữ liệu nhanh mà phía nhận vẫn có thể xử lý, giúp sử

dụng tài nguyên mạng một cách hiệu quả nhất

Trong môi trường mạng toàn IP, ngoài các nguyên lý chung cần tính toán thêm các yếu tố sau [16]:

- Cần ngăn chặn mức độ ảnh hưởng hoặc hạn chế ở mức độ thấp nhất có thể việc quá tải, tắc nghẽn hay tấn công DoS, DDoS của một loại dịch vụ đến các dịch vụ khác Một số tài nguyên nên được dành riêng cho mỗi dịch vụ để đảm bảo duy trì chất lượng dịch vụ tối thiểu, còn nguồn tài nguyên dùng chung nên chia sẻ công bằng cho tất cả các dịch vụ

Hình 2 1 Phân bổ tài nguyên cho nhiều dịch vụ

- Để cung cấp một dịch vụ trong một mạng toàn IP, cần cung cấp các nguồn tài nguyên đa dạng đồng thời, ví dụ như khả năng xử lý, băng thông…Các nguồn tài nguyên nếu không được phân bổ cho các dịch vụ không bị tắc nghẽn nên được sử dụng để thông báo tình trạng tắc nghẽn hoặc hỗ trợ điều khiển thiết lập kết nối

- Trong việc lựa chọn phương thức điều khiển tắc nghẽn cho mỗi dịch vụ cần xác định “nguyên nhân thực sự của tắc nghẽn” từ phối cảnh toàn mạng đồng thời nên có sự hợp tác toàn diện giữa các bộ phận khác nhau của mạng Ví dụ, khi phần truyền tải của mạng bị tắc nghẽn có thể được thông tin tới phần điều khiển tài nguyên và phần điều khiển dịch vụ để hạn chế yêu cầu các kết nối mới

- Cần cung cấp các dịch vụ cho phép người sử dụng xác nhận mức độ an toàn để cung cấp các cảnh báo tắc nghẽn cho các thiết bị đầu cuối

2.3 Phân loại các phương pháp điều khiển tắc nghẽn

2.3.1 Phân loại theo lý thuyết điều khiển [21]

Theo quan điểm của lý thuyết điều khiển, các hệ thống điều khiển có thể được chia thành 2 loại: Điều khiển mạch vòng hở (Open loop control) hay còn gọi là điều khiển không phản hồi (non-feedback control) trong đó hệ thống

… Tổng tài nguyên

Dành cho

Dịch vụ 1

Dành cho Dịch vụ 2

Dành cho Dịch vụ N Tài nguyên chia sẻ cho tất cả các dịch vụ

không quan sát đầu ra của các quá trình đó nó điều khiển Và điều khiển mạch vòng đóng (Close loop control) sử dụng các thông tin phản hồi để điều khiển trạng thái hoặc đầu ra của hệ thống

2.3.1.1 Điều khiển chống tắc nghẽn vòng hở

Điều khiển chống tắc nghẽn vòng hở hay còn gọi và được hiểu là phòng chống tắc nghẽn, được thực hiện trên cơ sở thỏa thuận, đặt chỗ trước (reservation - based) Trường hợp này sử dụng các thiết kế tốt để cố gắng ngăn chặn tắc nghẽn xảy ra Để không xảy ra tắc nghẽn, các hệ thống đầu cuối cần phải đàm phán với mạng để lưu lượng đưa vào mạng không được lớn hơn khả năng xử lý của mạng, tránh xảy ra tắc nghẽn Các quyết định này phải theo lịch trình và phải có ở từng nút mạng, chúng được hệ thống đưa ra mà không xem xét đến trạng thái hiện thời của mạng Sở dĩ gọi là điều khiển tắc nghẽn vòng hở

do có sự đàm phán, đặt chỗ ban đầu giữa bộ định tuyến và thiết bị đầu cuối, sau

đó cả 2 hệ thống sẽ hoạt động độc lập và kết quả là hệ thống đầu cuối sẽ không nhận được các thông tin về lưu lượng hiện tại và tình trạng mạng

Nếu các tài nguyên yêu cầu bởi ứng dụng có sẵn thì các luồng lưu lượng của người sử dụng được chấp nhận, nếu không bị từ chối Sau khi chấp nhận, nguồn được kiểm soát để đảm bảo không vượt quá yêu cầu sử dụng, thường thông qua các mô hình nguyên lý gáo rò TBF (token bucket) để điều chỉnh tỷ lệ gửi Việc đặt chỗ trước cũng được dùng để đảm bảo QoS trong mạng, ví dụ các mô hình Intserv và Diffserv

Nguyên lý leaky bucket (nguyên lý gáo rò, hay thùng rò) là nguyên lý cơ

bản để điều khiển chống tắc nghẽn vòng hở Điều khiển tắc nghẽn vòng hở là sự kết hợp của điều khiển tiếp nhận, kiểm soát và nguyên lý gáo rò

Hình 2 2 Nguyên lý gáo rò

Trong mô hình này, nút mạng được trang bị một gáo rò dùng kiểm soát lưu lượng thông tin đi vào mạng Gáo là một bộ đệm có khả năng lưu trữ tối đa

là W thẻ bài Các thẻ bài được điền vào gáo với tốc độ r thẻ bài/s Khi gáo đã

đầy thẻ bài thì thẻ bài sẽ không được điền thêm vào gáo Mỗi khi một gói tin đến

và để có thể được vào được mạng thì gói tin đó phải nhận được một thẻ bài Tốc

độ trung bình của thông tin vào mạng là r gói tin/s và bằng tốc độ điền thẻ bài

vào gáo

Trong trường hợp gáo rò đầy thẻ bài, nút mạng có thể cho tối đa W gói tin vào mạng tại một thời điểm Nếu W nhỏ thì khả năng kiểm soát tốc độ luồng thông tin vào là tốt, nếu W lớn thì khả năng hỗ trợ dữ liệu dạng cụm (burst) tốt Với việc sử dụng gáo rò, luồng thông tin vào mạng có tốc độ không vượt quá r

gói/s Nếu mạng có nhiều nút mạng để giao tiếp với bên ngoài, mỗi nút mạng được trang bị một gáo rò để kiểm soát lưu lượng thông tin vào mạng thì cho dù tốc độ thông tin của đến các nút có thể thay đổi, nhưng tốc độ thông tin trong mạng khá ổn định Với đặc điểm này, người ta nói gáo rò thực hiện chức năng định dạng lưu lượng

2.3.1.2 Điều khiển chống tắc nghẽn vòng đóng

Điều khiển chống tắc nghẽn vòng đóng được thực hiện dựa trên cơ sở thông tin phản hồi (feedback-based) gồm có ba phần, hay ba bước Phát hiện, Phản hồi và Khắc phục như sau:

Bước 1 Phát hiện: theo dõi hệ thống để phát hiện tắc nghẽn xảy ra khi nào và ở đâu Việc phát hiện tắc nghẽn có thể dựa trên một số độ đo khác nhau Các độ đo thường được sử dụng là tỉ lệ gói số liệu bị loại bỏ do thiếu bộ đệm, chiều dài trung bình của hàng đợi, số gói số liệu phải phát lại do bị hết giờ, thời gian trễ trung bình của gói số liệu khi đi qua mạng v.v Sự tăng lên của các số đo này nói lên rằng tắc nghẽn đang tăng lên trong mạng

Bước 2 Phản hồi: nơi phát hiện ra tắc nghẽn cần phải chuyển thông tin về

sự tắc nghẽn đến những nơi có thể phản ứng lại Một cách thực hiện rất đơn giản

là nút mạng phát hiện ra tắc nghẽn sẽ gửi gói số liệu đến các nguồn sinh lưu lượng trên mạng, báo tin về sự cố Tất nhiên, việc này sẽ làm tăng thêm lưu lượng đưa vào mạng đúng lúc lẽ ra phải giảm đi Người ta cũng đã đề xuất và thực hiện một số cách khác nữa Chẳng hạn, nút mạng phát hiện ra tắc nghẽn sẽ đánh dấu vào một bit hay một trường định trước của mọi gói số liệu trước khi gói số liệu được nút mạng chuyển tiếp đi, nhằm loan báo cho các nút mạng khác

về trạng thái tắc nghẽn Có thể nêu ra một cách thực hiện khác nữa, đó là làm

cho các nút mạng đều đặn gửi đi các gói số liệu thăm dò để biết tình trạng của mạng

Bước 3 Khắc phục: điều chỉnh lại hệ thống để sửa chữa sự cố Các cơ chế thực hiện phản hồi đều nhằm mục đích là để mạng có những phản ứng phù hợp nhằm làm giảm tắc nghẽn Nếu phản ứng xảy ra quá nhanh, lưu lượng trong hệ thống sẽ thăng giáng mạnh và không bao giờ hội tụ Nếu phản ứng quá chậm, việc điều khiển tắc nghẽn có thể không có ý nghĩa thực tế gì nữa Chính vì vậy,

để cơ chế phản hồi có hiệu quả, cần phải sử dụng một số cách tính trung bình

Trong trường hợp này, các thiết bị đầu cuối cần nhận được thông tin phản hồi từ mạng về tình trạng tắc nghẽn hiện tại Khi đó, hệ thống đầu cuối sẽ phản ứng với các dấu hiệu tắc nghẽn bằng cách hạn chế lượng tải đưa vào mạng, phù hợp với dung lượng hiện có của mạng để giảm bớt tình trạng tắc nghẽn Phương thức điều khiển tắc nghẽn này vì thế được gọi là điều khiển tắc nghẽn vòng đóng Điều khiển tắc nghẽn vòng đóng bao gồm điều khiển phản hồi ẩn và điều khiển phản hồi rõ, được mô tả trong hình 2.3:

Hình 2 3 Phân loại điều khiển tắc nghẽn

Điều khiển tắc nghẽn phản hồi ẩn (implicit feedback): Mục đích chung

của điều khiển tắc nghẽn là phía gửi sẽ điều chỉnh tốc độ dựa trên những thông tin phản hồi từ phía nhận Khi xuất hiện tắc nghẽn, nguồn phát sẽ nhận ra tắc nghẽn thông qua việc quá thời gian (time out) Về cơ bản, có 3 khả năng có thể xảy ra đối với các gói tin nếu xảy ra time out:

Phản hồi ẩn (impcilit feedback)

Điều khiển tắc nghẽn đầu cuối – đầu

cuối (Ví dụ: TCPTahoe, Reno,Vegas …)

Phản hồi rõ (expcilit feedback)

Điều khiển tắc nghẽn có hỗ trợ của mạng (ví dụ: DECbit, RED, ECN )

- Gói tin có thể bị mất

Trong đó, trễ cũng có thể có nhiều nguyên do, có thể là do khoảng cách,

do việc xử lý gói tin tại hàng đợi Tương tự, các gói tin có thể bị mất do hàng đợi quá tải, thiết bị trục trặc hoặc nhiễu Thay đổi một gói tin nghĩa là thay đổi tiêu đề hoặc hoặc dữ liệu gói tin

Trong phương pháp này, phía gửi sử dụng thông tin thời gian chờ time out

để suy luận những vấn đề đang xảy ra trong mạng Phương pháp điều khiển tắc nghẽn phản hồi ẩn có ưu điểm là đơn giản Tuy nhiên, lại có nhược điểm là không chính xác Ví dụ: điều khiển tắc nghẽn TCP sử dụng phản hồi ẩn, điều khiển luồng trên cơ sở cửa sổ

Điều khiển tắc nghẽn phản hồi rõ (explixit feedback): Các phần tử

mạng (bộ định tuyến) thông báo tắc nghẽn rõ ràng đến nguồn phát thông qua việc sử dụng các bit thông báo (như điều khiển chống tắc nghẽn ABR trong ATM, DECbit, ECN…) Ưu điểm của phương thức này là cung cấp các thông tin chính xác đến nguồn phát nhưng lại phức tạp trong việc triển khai, do phải thiết lập các giải thuật điều khiển tắc nghẽn tại cả nguồn và mạng, đồng thời cần

có sự vận hành đồng thời từ phía nguồn và các thiết bị mạng

Hình 2.4 mô tả việc điều khiển chống tắc nghẽn ABR trong ATM: các tế bào đặc biệt được gọi là tế bào quản lý tài nguyên (Resource Management ) –

RM cell thu thập thông tin trạng thái mạng và gửi lại nguồn

Hình 2 4 Điều khiển chống tắc nghẽn ABR trong ATM

2.3.2 Điều khiển tắc nghẽn trên cơ sở cửa sổ hay tốc độ [21]

Có hai phương thức cơ bản để điều tiết tốc độ của người gửi từ nguồn: điều khiển dựa trên tốc độ hoặc dựa trên cửa sổ Cả hai phương thức này đều có những ưu và nhược điểm Chúng hoạt động như sau:

Điều khiển dựa trên tốc độ: điều khiển một cách trực tiếp tốc độ truyền tại

phía gửi (nguồn gửi tin) Người nhận hoặc thiết bị định tuyến thông báo cho người gửi thông tin phản hồi để điều chỉnh tốc độ gửi dữ liệu không vượt quá tốc độ cho phép

Điều khiển dựa trên kích thước cửa sổ: điều khiển gián tiếp tốc độ truyền

thông qua việc thay đổi kích thước cửa sổ (số gói tin hoặc số byte tồn tại ở đó) Người gửi thực hiện gửi số lượng nhất định các gói tin hoặc byte được phép trước khi có thông tin phản hồi mới đến Với mỗi gói tin gửi đi, cửa sổ được giảm xuống cho đến khi kích thước cửa sổ bằng 0 Ví dụ, cửa sổ được phép gửi

6 gói tin, và chưa có thông tin phản hồi mới, người gửi được phép gửi chính xác

là 6 gói tin, sau đó phải dừng lại Phía nhận sẽ nhận và đếm các gói tin đến và thông báo cho người gửi biết rằng được phép tăng kích thước cửa sổ lên một số lượng nhất định Điều khiển theo kích thước cửa sổ được gọi là việc tự định xung nhịp

2.4 Các tiêu chí đánh giá phương pháp điều khiển tắc nghẽn

Trong phần này đề xuất một số tiêu chí đánh giá cơ bản nhất dựa trên cơ

sở những tiêu chí truyền thống và có xem xét đến những đặc tính của môi trường mạng mới NGN Những tiêu chí cơ bản nhất dùng cho phân tích, đánh giá các phương pháp điều khiển chống tắc nghẽn [9] bao gồm:

2.4.1 Tính hiệu quả (Efficient)

Tính hiệu quả được định nghĩa là tỉ số giữa tổng tài nguyên phân phối cho các ứng dụng và tổng tài nguyên mong muốn tại điểm gãy knee của mạng, nghĩa

ứng dụng, nghĩa là X(t) x i(t)gần đạt tới X goal Tính hiệu quả được xác định bởi tỉ số: