Lưu lượng trong mạng FMC và ứng dụng kỹ thuật lưu lượng trong việc định tuyến QoS

Bài báo này giới thiệu về kỹ thuật lưu lượng trên mạng Viễn thông thế hệ mới, tổng hợp một số thông tin về một số mô hình lưu lượng mới và phân tích cách thức ứng dụng kỹ thuật lưu lượng khi chưa có một mô hình lưu lượng chuẩn.

TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG FMC VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG TRONG VIỆC ĐỊNH TUYẾN QoS TRAFFIC ENGINEERING IN FMC AND USE OF TRAFFIC ENGINEERING IN QoS ROUTING Nguyễn Trung Kiên Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng TĨM TẮT Kỹ thuật lưu lượng(TE) đóng vai trò quan trọng việc dự báo, thiết kế tối ưu mạng Viễn thông dựa chuyển mạch kênh(TDM) với dịch vụ thoại chủ yếu Khi mạng NGN hay gần mạng FMC đời người ta mong muốn có cơng cụ hữu hiệu để quy hoạch tối ưu mạng làm với mạng TDM trước Thời kỳ đầu, người ta cố gắng mở rộng cơng cụ có cho mạng mới, nhiên phép thử cho thấy công cụ khơng dùng (ví dụ mơ hình Poisson chẳng hạn), lý mạng NGN/FMC mạng đa dịch vụ dựa công nghệ chuyển mạch gói IP nên đặc tính luồng lưu lượng khác hẳn mạng Voice tuý Nhiều mơ hình lưu lượng đưa chưa có mơ hình đủ tổng qt mong muốn Bài báo giới thiệu kỹ thuật lưu lượng mạng Viễn thông hệ mới, tổng hợp số thơng tin số mơ hình lưu lượng phân tích cách thức ứng dụng kỹ thuật lưu lượng chưa có mơ hình lưu lượng chuẩn ABSTRACT Traffic engineering(TE) has an important role in the forecast, design and optimization of the Telecom network based on circuit switching (TDM) with mainly voice service When NGN or most recently FMC network appeared, the same efficient tools to plan and optimize the network have been expected, as with TDM network before At the begining, there are efforts to expand the existing tools, however trials have showed that these tools were unusable (such as Poisson model), the reason is NGN/FMC is multi-service network based on IP package-switching technology so that the traffic characteristics are quite different from the voice centric network Many new traffic models have been poroposed but none of them was a comprehensive one This article introduces the traffic techniques on the new generation Telecom network, gathering information about some new traffic models and analyzing the method to apply traffic techniques when there is no standard traffic model shown yet PSTN (với lưu lượng voice chủ yếu) truyền thống, hệ mạng mơ hình lưu lượng chuẩn xây dựng công cụ hữu hiệu để hỗ trợ trình khác phát triển mạng Một số lý thuyết, mơ hình cơng cụ hữu hiệu việc thiết kế, tối ưu giải vấn đề hiệu mạng như: tiến trình Poisson, công thức Elang-B, lý thuyết hàng đợi ứng dụng [1,9] I GIỚI THIỆU Mạng FMC (Fixed Mobile Convergence) xây dựng sở hạ tầng mạng chuyển mạch gói IP cung cấp loại hình dịch vụ Viễn thông: Voice, video, data v.v Phương thức truy nhập sử dụng công nghệ wireline, wireless (3G, Wifi, Wimax, PHS ) Ứng dụng kỹ thuật lưu lượng mạng FMC nghiên cứu đặc tính người sử dụng dịch vụ, loại hình dịch vụ tính chất luồng liệu trao đổi đối tượng mạng từ khái qt nên mơ hình chuẩn Dựa vào mơ hình khái qt hố người ta xây dựng lý thuyết công cụ khác cho việc tiết kế, tổ chức mạng đảm bảo yêu cầu dịch vụ khác tránh tượng tắc nghẽn Khi kỹ thuật chuyển mạch gói bắt đầu hình thành, (ATM, X25 tiếp sau IP ), mạng chủ yếu cho việc truyền số liệu Nguồn lưu lượng liệu mạng chuyển mạch gói có tính chất ON/OFF, chu kỳ ON thời gian truyền liệu OFF khoảng thời gian khơng truyền Do tính đơn giản, tiến trình Poisson Markov dùng cho mạng chuyển mạch gói Khi sử dụng mơ hình đơn giản chu kỳ Nghiên cứu lưu lượng thành công hệ mạng chuyển mạch kênh 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 ON hặc OFF bộc lộ tính chất phân bố có dạng hình học hay hàm mũ Lưu lượng thể tính khơng nhớ (Memoryless) nghĩa phụ thuộc thời gian ngắn (SRD-short range dependence) Các nguồn lưu lượng gom (lưu lượng gộp) thể nhiễu trắng (white noise) (codec) kỹ thuật triệt khoảng lặng sử dụng phía phát nhằm giảm tốc độ bít Các kỹ thuật mã hố phổ biến G711, G723, G729 Dịch vụ IPTV/VoD, P2P IPTV cung cấp luồng thông tin Voice Video đến nhóm khách hàng sử dụng dịch vụ quảng bá cho nhóm khách hàng (IPTV-multicast) hay cho khách hàng (VoD) Dữ liệu dịch vụ dạng liệu video + voice thời gian thực (Soft-realtime) Nhiều phân tích gần lưu lượng mạng chuyển mạch gói IP mạng LAN/WAN với ứng dụng FTP, WWW, Email, Video cho thấy tính chất tự tương đồng (self-similar) với time scale khác tồn cách tự nhiên lưu lượng mà trước bỏ qua đồng thời cho thấy mơ hình lưu lượng truyền thống Poisson khơng cho việc phân tích lưu lượng [2] Dịch vụ truy nhập Internet tốc độ cao loại hình dịch vụ Internet truyền thống có yêu cầu cao chất lượng dịch vụ loại hình dịch vụ Lưu lượng bao gồm liệu thông tin trao đổi trình duyệt web, truyền file, email Trên mạng FMC lưu lượng Internet Multimedia có dạng ON/OFF Ví dụ với dịch vụ Web, chu kỳ ON thể việc tải trang web chu kỳ OFF thể thời gian đọc thông tin Với mong muốn đưa mơ hình tương tự cho hệ mạng Viễn thơng dựa cơng nghệ chuyển mạch gói IP gần mạng hội tụ FMC người ta bắt tay vào nghiên lưu lượng mạng III MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA LƯU LƯỢNG TRÊN MẠNG FMC II MẠNG FMC VÀ CÁC DỊCH VỤ TIÊU BIỂU Một số thuộc tính luồng liệu mạng như: Trên mạng FMC mạng Viễn thông hệ có hội tụ mạng cố định di động Trên mạng FMC nhiều loại dịch vụ khác thấy loại dịch vụ tiêu biểu dịch vụ nhóm Triplay services: VoIP (thoại qua mạng IP), IPTV (dịch vụ xem Tivi qua mạng IP) HSI (Truy nhập Internet tốc độ cao) - Tính tự tương đồng [3,8,9]: Sự phân bố lưu lượng có dạng lại tồn hay phần sau chu kỳ thời gian Biểu diễn tự tương đồng qua tham số Husrt (H) Khi H gần tiến tới tương đồng gần xác Sự tự tương đồng diễn theo time-scale khác biểu diễn hàm phân bố heavy-tailed hay long-tailed Dịch vụ VoIP hệ dịch vụ thoại PSTN truyền thống xây dựng sở hạ tầng mạng IP Trong mạng này, luồng liệu voice gói thành packet chuyển phát mạng IP, Để tiết kiệm băng thơng, số kỹ thuật mã hố Hình so sánh tính chất tự tương đồng lưu lượng mạng FMC với tính chất lưu lượng Poisson truyền thống Hình So sánh lưu lượng Poisson Self-similar 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 - Tính rời rạc (Fractal): Tính chất thể rõ việc truyền liệu dạng gói lớn (bursts) việc tải file lớn, file audio, - Tính phụ thuộc thời gian dài (Longrange-dependence) [10,19]: Sự tự tương đồng theo time-scale khác gọi (Longrange-dependence-LRD) Tính phụ thuộc thời gian dài tương phản với tính chất lưu lượng mạng PSTN truyền thống tiến trình đến phân bố theo Poisson Hình so sánh SRD LRD, phân bố Poisson suy giảm xác suất phía nhanh chóng sát với hàm mũ thời gian lưu lượng có đặc tính LRD, suy giảm xác suất theo hàm hypebol - Sự phân bố chu kỳ ON/OFF khác ứng dụng cụ thể mạng [8,11,19,21]: - Dịch vụ VoIP phân bố: ON – Gamma, OFF - Weibull - Dịch vụ E-mail: ON – Weibull, OFF – Pareto - Dịch vụ FTP: Tương tự dịch vụ Email với kích thước file trung bình lớn chu kỳ ON dài - Lưu lượng WWW: khoảng thời gian Inactive chia làm loại: Active OFF time phân bố Weibull, In-active OFF time phân bố Pareto IV MỘT SỐ MÔ HÌNH LƯU LƯỢNG MỚI Với số đặc tính luồng lưu lượng mạng FMC đây, thời gian qua có số mơ hình lưu lượng nghiên cứu đề xuất áp dụng [11,17,19]: - Mơ hình luồng lưu (Fluid): Trong mơ hình này, lưu lượng coi volume có tính chất flow rate Mơ hình phù hợp cho lưồng lưu lượng đơn B-ISDN hay ATM Mơ hình phù hợp cho việc mơ hình hố lưu lượng burst với mẫu ON/OFF - Các mô hình tự tương đồng (Self-similar models): Mơ hình Fractional ARIMA (mơ hình hồi quy tự chuyển dịch trung bình phân đoạn), mơ hình sử dụng rộng rãi cho tự tương đồng, mơ hình hố tiến trình LRD, SRD đồng thời; Mơ hình Fractional Gaussian Noise (FGN): Được dùng nhiều cho q trình ngẫu nhiên, phù hợp cho việc mơ hình hoá liệu burst ứng dụng đa phương tiện; Mơ hình TransformExpand-Sample (TES) Hình SRD LRD Phân bố Heavy-tailed/ long-tailed: Một phận lớn xác suất tập trung cao phía phân bố so với phân bố hàm mũ Điển hình tính chất thể phân bố Pareto [4] Weibull [5] Hình so sánh phân bố Heavy-tailed phân bố hàm mũ - Các mơ hình LRD: mơ hình kể đến: Fractional Brownian motion (FBm), M/G/ ∞, Thực tế, mơ hình lưu lượng thích hợp với loại lưu lượng định Về lý thuyết, tương lai lưu lượng ngày trở nên gần giống với q trình Gaussan [12,19], ảnh hưởng Hình Phân bố Heavy-tailed phân bố hàm mũ (exponential) 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 luồng lưu lượng đơn ngày ý nghĩa nguồn lưu lượng gộp Tuy nhiên thời điểm lưu lượng thực tế chưa đâu giống với mơ hình Gaussan Thời gian qua nhiều cố gắng thực nhằm đưa công thức tổng quát tương tự Erlang mạng PSTN áp dụng cho mạng chưa có cố gắng đưa công thức phù hợp cho vai trò Hiện tại, luồng lưu lượng gộp chưa phải mang tính điển hình để bỏ qua vai trò luồng lưu lương riêng rẽ việc nghiên cứu mơ hình lưu lượng tiếp tục Nói tóm lại, chưa có mơ hình lưu lượng chuẩn chấp nhận rộng rãi cho lưu lượng mạng FMC công cụ hữu hiệu mạng PSTN chưa đạt Các kỹ thuật hàng đợi cải tiến nhiều so với kỹ thuật áp dụng cho mạng TDM, ATM trước đây: Weighted Fair Queuing (WFQ), Weighted Round Robin (WRR), Priority Queuing (PQ), Custom Queuing (CQ), Class Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ) Hiện nay, để cải tiến QoS thiết bị mạng bao gồm thiết bị phía khách hàng (mạng đo thị -MAN, mạng wifi 802.11e hay Wimax băng rộng 802.16) có khả kiểm sốt QoS đề người dùng dịch vụ cách tạo cho user/dịch vụ hàng đợi riêng, tính chất hàng đợi phụ thuộc dịch vụ cụ thể Việc kiểm soát lưu lượng (sharping) nhàm kiểm soát băng thông dùng khách hàng hay hướng khơng vượt q mức danh định cho phép Ở người ta sử dụng kỹ thuật hàng đợi để kiểm soát lưu lượng vượt V GIẢI PHÁP VỀ ĐẢM BẢO QoS TRÊN MẠNG THẾ HỆ MỚI KHI CHƯA CÓ CÁC LÝ THUYẾT ĐẦY ĐỦ VỀ LƯU LƯỢNG Đối với lưu lượng liên miền hay liên nhà khai thác NGN/FMC thực khó kiểm sốt Các tổ chức chuẩn hoá Quốc tế cố gắng đưa framework cho việc đáp ứng yêu cầu khách hàng QoS SLA (Service Level Agreement) framework thực tế chưa có thử nghiệm tiến hành Trong chưa đạt tới chín nghiên cứu mơ hình lưu lượng FMC nghĩa chưa có cơng cụ thiết kế hữu hiệu, kỹ thuật khác sử dụng để kiểm soát chất lượng dịch vụ (QoS) kỹ thuật quản lý lưu lượng [19] Các kỹ thuật liên quan đến quản lý lưu lượng bao gồm: Quản lý đầu vào (admision control), phân lớp lưu lượng (traffic classification), xử lý hàng đợi (queueing), định tuyến QoS (QoSR), đánh lịch phân phát gói (scheduling) kiểm sốt lưu lượng (traffic sharping), hand-over … Bên cạnh kỹ thuật chủ động trên, phương án khác sử dụng số liệu thống kê từ giám sát trạng thái mạng (monitor) cách thụ động [19] Ở đây, thông số thống kê lưu lượng sử dụng hỗ trợ công việc định tuyến, quy hoạch lại mạng Đối với nhà khai thác Viễn thông lớn (carrier, operator) việc đảm bảo QoS cho dịch vụ cung cấp quan trọng, nhà khai thác lớn thường đầu tư trang thiết bị đảm bảo dư thừa lưu lượng mạng quản lý Việc kiểm sốt đầu vào ngõ vào mạng (các ngõ kết nối với mạng nhà khai thác khác hay mạng Internet) thực nhằm để hạn chế yêu cầu từ bên vào lưu lượng bên cạn VI KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG VÀ ĐỊNH TUYẾN QoS Định tuyến QoS chức tìm đường mạng đảm bảo số yêu cầu ràng buộc QoS (băng thông, trễ, rung pha, tỷ lệ gói ) kỹ thuật lưu lượng lại việc tối ưu tài nguyên mạng dựa tính chất luồng lưu lượng thơng tin Giữa QoSR TE có điểm chung QoSR TE kỹ thuật hướng đến việc sử dụng tài nguyên tối ưu thoả mãn yêu cầu truyền thông tin Điểm tương phản QoSR TE QoSR hướng đến việc tìm đường ngắn TE lại tìm đường có băng thơng cao nhất, QoS xem xét góc độ người dùng TE xem xét góc độ mạng, QoSR tập trung vào điểm có tính thời (short- Sự phân lớp lưu lượng cho phép nút mạng xử lý có ưu tiên luồng lưu lượng dịch vụ đòi hỏi yêu cầu chất lượng cao (ví dụ liệu yêu cầu tính thời gian thực VoIP, Video) Các gói tin có ưu tiên cao đánh lịch phát trước 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 term) TE lại vấn đề có tính lâu dài (long-term) dụng thuật toán QoSR khác cho luồng lưu lượng [22] Nếu có mơ hình lưu lượng chuẩn ta xác định tài nguyên khả dụng khoảng lân cận thời điểm xét biết lưu lượng thời điểm trước thơng số làm yếu tố tác động đến quyến định chọn đường Tuy nhiên, giới thiệu phía chưa có mơ hình lưu lượng chuẩn đưa để sử dụng cho mục đích này, việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lưu lượng định tuyến QoS nhiều thách thức [15] Ý tưởng có tính khả thi sử dụng kỹ thuật lưu lượng để hỗ trợ định tuyến QoS thực số cách như: - Sử dụng kỹ thuật dự báo lưu lượng dựa thông số thống kê lưu lượng mạng khứ với chu kỳ quan sát lưu lượng (timescale) khác nhau(ms, sec, min, hour hay day) [16] để hỗ trợ định tuyến QoS Hình biểu diễn ví dụ việc sử dụng số liệu thống kê giám sát lưu lượng hỗ trợ cho QoS routing - Bên cạnh đó, thơng số thống kê lưu lượng sử dụng QoSR nhằm cân tải tuyến định tuyến QoS liên miền [24,25]…, thông tin lưu lượng trao đổi định tuyến thông qua trường thông tin mở rộng giao thức OSPF hay BGP - Phân lớp luồng lưu lượng (ví dụ Realtime Non-Realtime) sở sử Hình Ứng dụng số liệu thống kê lưu lượng cho toán khác dụng liệu thống kê lưu lượng mạng để phục vụ cho mục đích định tuyến QoSR nói riêng hay đảm bảo QoS nói chung thường sử dụng thực tế Trong tương lai, mạng FMC ổn định dịch vụ đủ phong phú mức độ sử dụng cao làm cho ảnh hưởng luồng lưu lượng đơn ý nghĩa lưu lượng gộp mơ hình tổng qt Gaussan hy vọng sử dụng mơ hình chuẩn VII KẾT LUẬN Kỹ thuật lưu lượng đóng vai trò quan trọng tổ chức mạng Viễn thơng Lý thuyết lưu lượng hệ mạng FMC khác nhiều so với mạng PSTN truyền thống chưa có mơ hình lưu lượng hoàn chỉnh chưa theo kịp yêu cầu việc phát triển mạng hệ Trong nghiên cứu lưu lượng tiếp tục, chế giám sát, quản lý để kiểm soát QoS hay sử TÀI LIỆU THAM KHẢO Richard Parkinson; Traffic engineering techiniqes in Telecomunications; Infotel system, 1985 Vern Paxson and Sally Floyd;Wide-Area Traffic: The Failure of Poisson Modeling; Lawrence Berkeley Laboratory and EECS Division, University of California, Berkeley, 1985 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 W Leland, M Taqqu, W Willinger, and D Wilson; On the Self-Similar Nature of Ethernet Traffic (Extended Version); IEEE/ACM Transactions on Networking, 2(1),pp 1-15, February 1994 B Arnold- Pareto Distributions; International Cooperative Publishing House, Maryland, 1983 Weisstein, Eric W; Weibull Distribution; From MathWorld - http://mathworld.wolfram.com /WeibullDistribution.html Pinder, J.E., Wiener, J.G and Smith, M.H; The Weibull distribution: a new method summarizing; survivorship data -1978 M Garrett and W Willinger; Analysis, Modeling and Generation of Self-Similar VBR Video Traffic; Proceedings of SIGCOMM 94, pp 269-280, September, 1994 Jăorn Seger; Modelling Approach for VoIP Traffic Aggregations for Transferring Tele-traffic Trunks in a QoS enabled IP-Backbone Environment; Faculty for Electrical Engineering and Information Technology Department of Electronic Systems and Switching niversity of Dortmund, 2003 Huai Huang; Analysis of self-similar Traffic Using Multiplexer & Demultiplexer Loaded with Heterogeneous ON/OFF Sources; Dept of Electronic Engineering, Queen Mary, University of London Thomas Silverston, Olivier Fourmaux and Kav´e Salamatian; Characterization of P2P IPTV Traffic: Scaling Analysis; Universit´e Pierre et Marie Curie - Paris VI, Laboratoire LIP6/CNRS, UMR 7606 104 avenue du pr´esident Kennedy 75016 Paris, France, 2007 Zhili Sun and Lei Liang; IP Network Traffic Measurement and Modelling; Centre for Communication System Research University of SurreyGuildford R.G Addie, M Zukerman, T.D Neame; Broadband traffic modeling: simple solutions to hard problems; IEEE Communications Magazine 36 (8) (1998 Yantai SHU, Minfang YU, Oliver YANG, Jiakun LIU, and Huifang FENG; Wireless Traffic Modeling and Prediction Using Seasonal ARIMA Models; IEICE TRANS COMMUN., VOL.E88–B, NO.10 OCTOBER 2005 Young-Tak Kim, Hae-Sun Kim, Hyun-Ho Shin; Web Service based Inter-AS Traffic Engineering for QoSguaranteed DiffServ Provisioning; School of Electrical Engineering and Computer Science, College of Engineering, Yeungnam University -214-1, Dae-Dong, Kyungsan-Si, Kyungbook, 712-749, KOREA Henrik Abrahamsson Anders Gunnar; Traffic Engineering in Ambient Networks: Challenges and Approaches; Swedish Institute of Computer Science Box 1263, SE-164 29 Kista, Sweden Yuekang Yang Chung-Horng Lung-Traffic Forecast in QoS Routing-Department of Systems and Computer Engineering Carleton University, Ottawa, Ontario, Canada Information Society Technologies Balakrishnan Chandrasekaran; Survey of Network Traffic Models; http://www.cse.wustl.edu/~jain/cse567-06/ftp/traffic_models3/index.html Sixth Framework Programme; Definition and analysis of TE functions in different network scenarios; Deliverable No: D.WP.JRA.2.3.1 Abbas Jamalipour; The Wireless Mobile Internet, Architectures, Protocols and Service-Wiley-2003 http://www.ist-intermon.org/ Cisco; Traffic Analysis for Voice over IP; Sept 2002 Hedia KOCHKAR, Takeshi IKENAGA and Yuji OIE; QoS Routing Algorithm based on Multi-classes Traffic Load; Department of Computer Science and Electronics , Kyushu Institute of Technology Yuekang Yang; The Role of Traffic Forecasting in QoS Routing, a Case Study of Time-Dependent Routing; Department of Systems & Engineering, Carleton University, Ottawa, Ontario, Can K.H Ho, N Wang, P Trimintzios and G Pavlou; Traffic Engineering for Inter-domain Quality of Service; Centre for Communication Systems Research, University of Surrey, UK G Leduca, H Abrahamsson; An open source traffic engineering toolbox; Computer Communications 29 (2006) 593–610, www.elsevier.com/locate/comcom Địa liên hệ: Nguyễn Trung Kiên - Tel: 0913.510.136, E-mail: kiennt@cdit.com.vn Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông 29 ... ứng dụng kỹ thuật lưu lượng định tuyến QoS nhiều thách thức [15] Ý tưởng có tính khả thi sử dụng kỹ thuật lưu lượng để hỗ trợ định tuyến QoS thực số cách như: - Sử dụng kỹ thuật dự báo lưu lượng. .. kết nối với mạng nhà khai thác khác hay mạng Internet) thực nhằm để hạn chế yêu cầu từ bên vào lưu lượng bên cạn VI KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG VÀ ĐỊNH TUYẾN QoS Định tuyến QoS chức tìm đường mạng đảm bảo... tự cho hệ mạng Viễn thơng dựa cơng nghệ chuyển mạch gói IP gần mạng hội tụ FMC người ta bắt tay vào nghiên lưu lượng mạng III MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA LƯU LƯỢNG TRÊN MẠNG FMC II MẠNG FMC VÀ CÁC DỊCH