Kiểm soát chất lượng dịch vụ trong mạng thế hệ mới quality or service control in next generation networks

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác TÁC GIẢ CẤN THỊ PHƯỢNG ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH ẢNH x MỞ ĐẦU xi CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ MẠNG THẾ HỆ MỚI 1.1 Định nghĩa mạng NGN 1.2 Mơ hình kiến trúc NGN ITU-T đề nghị .5 1.2.1 Các khối chức stratum vận chuyển .5 1.2.1.1 Transport Functions .6 1.2.1.2 Transport control Functions 1.2.2 Các khối chức stratum dịch vụ 1.2.3 Management functions 1.2.4 End-user functions 1.3 Con đường tới NGN CHƯƠNG 2- KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG THẾ HỆ MỚI 11 2.1 Định nghĩa chất lượng dịch vụ 12 2.2 Hợp đồng chất lượng dịch vụ - SLA .13 2.3 Giới thiệu so sánh mơ hình QoS tiêu chuẩn hóa số tổ chức .14 2.3.1 Kiến trúc kiểm soát QoS stratum dịch vụ 15 2.3.2 Kiến trúc kiểm soát QoS cho stratum vận chuyển 17 2.3.2.1 IMS 18 2.3.2.2 RACS 19 2.3.2.3 RACF 20 iii 2.3.3 So sánh RACS, IMS, RACF 25 2.3.4 Kết luận .26 2.4 Mơ hình E2E QoS cho kiến trúc mạng NGN cụ thể 27 2.4.1 Kiến trúc mạng 27 2.4.2 Các mơ hình QoS sử dụng kiến trúc mạng tham chiếu 28 2.4.2.1 Các mô hình QoS mạng truy cập 28 2.4.2.2 Kiến trúc QoS lõi mạng 38 2.4.3 QoS liên mạng mạng tham chiếu 40 2.4.4 Kết luận 43 2.5 Các khối QoS kiến trúc mạng IP NGN Cisco 44 2.5.1 Kiến trúc mạng IP NGN Cisco 44 2.5.2 Framework DiffServ QoS mạng IP NGN Cisco 48 2.5.2.1 Phân lớp đánh dấu 48 2.5.2.2 Chính sách lưu lượng (traffic policing) .48 2.5.2.3 Shaping .49 2.5.2.4 Kết hợp chế phân lớp, sách lưu lượng, shaping 49 2.5.2.5 Cơ chế tránh tắc nghẽn dùng Weighted Random Early Detection 49 2.5.2.6 Quản lý tắc nghẽn 50 2.5.2.7 Chế độ đường hầm dùng DiffServ (DiffServ Tunnel Mode) mạng MPLS 50 2.5.3 Hỗ trợ QoS cụ thể cho phân lớp mạng IP NGN .52 2.5.3.1 Các phân lớp QoS mạng IP NGN .52 2.5.3.2 QoS cho ứng dụng mạng IP NGN 53 2.6 Một số nghiên cứu khác kiểm soát QoS NGN 55 2.7 Kết luận 57 CHƯƠNG - ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG VIỆC KIỂM SỐT QoS TRONG MẠNG NGN 59 3.1 Tích hợp framework hỗ trợ QoS có ứng dụng trí tuệ nhân tạo mạng NGN dùng giao thức SIP .59 iv 3.1.1 Một số yêu cầu framework 59 3.1.2 Các thành phần framework 61 3.1.3 Chức framework 64 3.1.3.1 Chức đo lường QoS (task1) .64 3.1.3.2 Chức kiểm soát truy nhập (task 2) 64 3.1.3.3 Chức kiểm soát QoS (task 3) 66 3.2 Lập hồ sơ QoS 66 3.2.1 Mạng nơ-ron nhân tạo ART-2 67 3.2.2 Phân lớp ảo người dùng cuối mạng NGN .69 3.2.3 Điều chỉnh giá trị tham số vigilance 70 3.2.4 Cơ chế bootstrap .72 3.2.5 Chọn điểm giám sát QoS framework 74 3.3 Giải pháp khắc phục hạn chế chế phân nhóm ảo người dùng framework 77 3.3.1 Giải pháp tìm giá trị tham số vigilance tối ưu 77 3.3.2 Giải pháp hạn chế gia tăng phân nhóm ART-2 79 3.3.3 Cơ chế cải tiến cho việc phân nhóm người dùng framework 80 3.4 Kết luận 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Project AAC Advanced Admission Control AC Access Category AIFS Arbitration Inter Frame Space AN Access Network AP Access Point A-RACF Access-Resource and Admission Control Function ART-2 Adaptive Resonance Theory ASN-GW Access Service Network Gateway ATM Asynchronous Transfer Mode BAS Broadband Access Server BE Best-Effort BEB Backbone Edge Bridge BGF Border Gateway Function BS Base Station CBWFQ Class-Based Weighted Fair Queuing CIR Committed Information Rate CN Core Network CPE Customer-Premises Equipment/Customer-Provided Equipment CSCF Call Session Control Function DCF Distributed Coordination Function DiffServ Differentiated Services DIFS DCF Inter Frame Space DSCP Differentiated Services Field Code Points DSLAM DSL Access Multiplexer E2E End to End vi EDCA Enhanced Distributed Chanel Access ESP Ethernet Switched Path ETSI European Telecommunications Standards Institute FE Functional Entity GGSN Gateway general packet radio service support node HCCA Hybrid Coordination Function Controlled Channel Access HSS Home Subscriber Server IETF Internet Engineering Task Force IFS Inter-Frame Space IMS IP Multimedia Subsystem IP Internet Protocol IP-CN Internet Protocol-Core Network ITU-T International Telecommunication Union - Telecommunication LLQ Low-latency queuing LSP Label–Switched Path MAC Media Access Control MPLS MultiProtocol Label Switching NACF Network attachment control functions NAPT Network address and port translation NGN Next Generation Network NSIS Next Steps in Signaling OSI Open Systems Interconnection Reference Model OSPF Open Shortest Path First PBB Provider Backbone Bridge PBBN Provider Backbone Bridge Networks PBB-TE Provider Backbone Bridging Traffic Engineered PCF Point Coordination Function PDF Policy decision function PD-FE Policy Decision Function Entity vii PDG Packet Data Gateway PDP Policy Decision Point PEC Path Computation Element PE-FE Policy Enforcement Functional Entity PEP Policy Enforcement Point PHB Per Hop Behavior PSTN Public Switched Telephone Network QAP QoS Access Point QoS Quality of Service QoS L&C QoS logic and Controller RACF Resource and Admission Control Functions RACS Resource and Admission Control Subsystem RCEF Resource Control Enforcement Function RDR Resource decision request RFC Request for Comments RIP Resource initiation response RIR Resource initiation request RSVP Resource-Reservation Protocol rtPS Real-time polling services SCF Service Control Function SDP Session Description Protocol SGSN Serving general packet radio service support node SIFS Short Inter Frame Space SIP Session Initiation Protocol SLA Service Level Agreement SP Service Provider SPDF Service policy decision function SS Subscriber Stations TDM Time Division Multiplexing viii TE Traffic Engineering TISPAN Telecoms and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networks TRC-FE Transport Resource Control Functional entity TRE-FE Transport Resource Enforcement Functional Entity TSPEC Traffic SPECifications TXOP Transmit Opportunity UAG User Access Gate UE User Equipment UGS Unsolicited Grant Services UMTS Universal Mobile Communication System VID VLAN ID VLAN Virtual LAN VoIP Voice over Internet Protocol VPN Virtual Private Networks WAG Wireless Access Gateway WAN Wide Area Networks WFQ Weighted Fair Queuing WiMAX Worldwide Inter-operability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network WRED Weighted Random Early Detection xDSL Digital Subscriber Line, x A, H, V, R, I ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh mạng PSTN, Internet, NGN Bảng 2.1 So sánh RACS, IMS, RACF 26 Bảng 2.2 Ánh xạ UP AC EDCA 31 Bảng 2.3 Ánh xạ nhóm WLAN EDCA với WiMAX 41 Bảng 2.4 Ánh xạ tham số lưu lượng mạng 802.11e 802.16 42 Bảng 2.5 Ánh xạ WiMAX ESP 43 Bảng 2.6 Triển khai QoS cho phân lớp ứng dụng .53 Bảng 3.1 Ví dụ điều chỉnh giá trị vigilance phân lớp dùng ART-2 71 Bảng 3.2 Luật điều chỉnh giá trị vigilance .72 Bảng 3.3 Ví dụ tính giá trị phù hợp để chọn điểm làm giám sát QoS .76 x DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sự tách biệt dịch vụ vận chuyển NGN (Nguồn: Rec Y.2011) Hình 1.2 Kiến trúc chức NGN ITU-T (Nguồn: ITU-T, 2004) Hình 2.1 Kiến trúc kiểm sốt NGN với IMS, RACF, RACS (Nguồn: Changho Yun Harry Perros, 2010) 16 Hình 2.2 Thủ tục đặt chỗ tài nguyên QoS SCF yêu cầu (Nguồn: ITU-T, 2006) 22 Hình 2.3 Thủ tục đặt chỗ tài nguyên theo yêu cầu xuất phát từ CPE (Nguồn: ITU-T, 2006) 24 Hình 2.4 Kiến trúc tham chiếu (Nguồn: Pavithra Ramaswamy, 2009) 28 Hình 2.5 Các IFS 30 Hình 2.6 Ví dụ PBBN (Nguồn: IEEE Communications Magazine, 2008) .35 Hình 2.7 Định dạng I-Tag B-Tag 36 Hình 2.8 Header MPLS 39 Hình 2.9 Kiến trúc IP NGN Cisco (Nguồn: Cisco, 2008) 45 Hình 2.10 RFC-4594 chỉnh sửa theo Cisco (Nguồn: Cisco, 2009) .52 Hình 3.1 Mạng NGN sử dụng giao thức SIP tích hợp framework (Nguồn: Weber Trick, 2008) 62 Hình 3.2 Sơ đồ khối UAG (Nguồn: Weber Trick, 2008) 63 Hình 3.3 Sơ đồ khối QoS L&C (Nguồn: Weber Trick, 2008) .63 Hình 3.4 Mơ hình kiến trúc mạng nơ-ron ART-2 (Nguồn: Jiang-Bo Yin Hong-Bin Shen, 2011) .68 Hình 3.5 Cơ chế phân lớp ảo người dùng mạng NGN 70 Hình 3.6 Cơ chế bootstrap 73 Hình 3.7 Cơ chế cải tiến cho phân nhóm ảo người dùng framework .80 72 Bảng 3.2 Luật điều chỉnh giá trị vigilance ρ(0) = 0.7; p(0) m ax = 1.0 ρi = ( ρ(i ) max + ρ(i ) ) / ;(i: lần phân lớp thứ i cho tập mẫu) IF ρ (i-1)=”quá thấp”: ρ(i ) = ρ (i − 1); ρ(i ) max = ρ(i −1) max IF ρ (i-1)=”quá cao”: ρ(i ) max = ρ(i −1) ; ρ(i ) = ρ( i−1) Trong khái niệm “quá thấp/quá cao” định nghĩa sau: - Nếu có mẫu đại diện khơng thuộc phân nhóm nào, tức phân nhóm q nghiêm ngặt Vì giá trị ρ chọn “quá cao” - Nếu hai nhiều mẫu đại diện nhóm, tức phân nhóm lỏng lẻo Vì giá trị ρ chọn “quá thấp” - Nếu tất mẫu đại diện gán tới nhóm khác mẫu PUT gán cho nhóm đó, tức phân nhóm thực tốt lỏng lẻo Giá trị ρ “quá thấp” - Nếu tất mẫu đại diện gán tới nhóm khác khơng có nhóm gán cho PUT, điều xẩy hai tình Trong trường hợp nào, ρ chọn “quá cao”: • Có thể phân nhóm thực tốt, PUT hồn tồn khơng tương đồng với nhóm sẵn có nào, PUT gán cho nhóm • Có thể phân nhóm thực q nghiêm ngặt PUT khơng thể so khớp với nhóm sẵn có 3.2.4 Cơ chế bootstrap Bởi việc phân nhóm UAG theo chế trình bày phần 3.2.2 phải dựa vào khác biệt mẫu đại diện cho phân nhóm có sẵn sau bắt đầu chế phân nhóm Trong để có phân nhóm chế phân 73 nhóm phải thực trước nhiều lần Do với chế thiếu thủ tục cung cấp mẫu đại diện phân nhóm khởi tạo Để giải vấn đề tác giả đề nghị chế gọi chế bootstrap Hình 3.6 Yêu cầu chế bootstrap phải có ba mẫu (ba mẫu thu thập từ việc giám sát đồng người dùng khác mạng NGN) Ý tưởng chế bootstrap phát tương đồng khác biệt ba mẫu để từ xác định phân nhóm chúng Hình 3.6 Cơ chế bootstrap Ba mẫu a, b, c xếp, coi tập mẫu Mạng nơ-ron ART2 áp dụng hai lần tùy vào cách xếp tập mẫu đầu vào Trong suốt trình thực ART-2 ln có hai đầu tức có hai phân lớp hình thành Lần chạy đầu tiên, giá trị ρ điều chỉnh cho hai mẫu a, b thuộc vào hai lớp khác Mẫu c tùy vào mức độ tương đồng mà gán tới phân lớp 74 mẫu a, hay mẫu b Tuy nhiên, khơng tìm thấy tương đồng, mẫu c không gán cho lớp Trong trường hợp mẫu c xử lý bước Tiếp theo, ART-2 tiếp tục áp dụng để phân lớp tập mẫu trên, khác giá trị ρ điều chỉnh cho mẫu b, c thuộc vào hai lớp khác Trong trường hợp mẫu a xử lý bước Kế tiếp, mẫu gán tới phân nhóm chúng tùy vào tương quan chúng Chú ý mẫu b, mẫu có mặt hai lần áp dụng ART-2, mặc định đại diện nhóm I Bước tìm phân nhóm mẫu c Nếu mẫu c gán tới phân lớp đầu có chứa mẫu b lần chạy ART-2, mẫu c b phải phân nhóm Trong trường hợp này, c thuộc phân nhóm I Nếu mẫu c khơng gán tới phân nhóm mẫu b mặc định thuộc vào nhóm II Cuối tìm phân nhóm mẫu a dựa vào kết lần chạy ART-2 thứ hai Nếu mẫu a gán tới mẫu b, mẫu c thuộc vào nhóm mẫu b nhóm mẫu c Nếu mẫu a không gán cho mẫu b mẫu c, mặc định thuộc vào nhóm II III, tùy vào nhóm II thiết lập hay chưa Nếu nhóm II thiết lập cho mẫu c bước kế trước a thuộc nhóm III 3.2.5 Chọn điểm giám sát QoS framework Mục tiêu phân nhóm người dùng cuối mạng NGN trình bày mục 3.2.2 tạo nhóm người dùng có điều kiện QoS tương đồng nhau, từ nhóm có u cầu truy vấn thơng tin QoS, UAG phù hợp chọn để cung cấp thông tin mà QoS L&C yêu cầu, UAG gọi điểm giám sát QoS Khi chọn điểm giám sát QoS cần cân nhắc số điều kiện sau: - Kết giám sát UAG cung cấp phải đầy đủ xác, có tác động tới phiên diễn diễn thuê bao có liên quan tới 75 nhóm chứa UAG mạng NGN Để tăng hiệu việc giám sát, cần kiểm tra liên tục phù hợp điểm chọn giám sát - Khi cần kích hoạt UAG làm điểm giám sát QoS suốt thời gian phiên diễn ra, phát sinh lưu lượng báo hiệu Với mục tiêu tối thiểu lưu lượng mạng gồm lưu lượng phát sinh truy vấn thông tin QoS trao đổi thông tin, cần tối thiểu số UAG làm điểm giám sát - Trong trường hợp UAG làm điểm giám sát phiên UAG ngắt, lại phải bầu chọn UAG khác làm điểm giám sát thay cho UAG này, điều làm phát sinh lưu lượng báo hiệu Do cần phải chọn UAG phiên có thời gian sống dài thay chọn UAG phiên có thời gian sống ngắn với mục tiêu tối thiểu lưu lượng báo hiệu phát sinh việc thay đổi UAG làm điểm giám sát Để xác định phù hợp UAG làm điểm giám sát, thông số sau sử dụng: khoảng thời gian trung bình phiên (Mean duration of sessions) triệu gọi UAG kí hiệu MSDUAGx(x số thứ tự UAG nhóm), thời gian dùng phiên diễn (elapsed time of ongoing sessions) có triệu gọi UAG kí hiệu EOSUAGx (EOSUAGx>0) Sự phù hợp UAG kí hiệu RUAGx tính thơng qua cơng thức (1) sau: RUAGx=MSDUAGx*(MSDUAGx/EOSUAGx)=(MSDUAGx/EOSUAGx) (1) 76 Ví dụ tính tốn phù hợp UAG nhằm chọn UAG điểm giám sát Bảng 3.3 đây: Bảng 3.3 Ví dụ tính giá trị phù hợp để chọn điểm làm giám sát QoS UAG Nhóm UAG thành viên kết nối nhóm phiên UAG1-A UAG1-B UAG1-C UAG1-D UAG1-E UAG1-F UAG1-G 3 Vị trí phù hợp (cho MSD EOS R việc giám sát QoS phiên đến từ nhóm) 126 45 264 437 146 81 196 32 164 562 278 26 526 496,1 12,3 124,0 76,7 252,3 73,0 1(Nhóm 1) 1(Nhóm 3) 1(Nhóm 2) Trong ví dụ Bảng 3.3, UAG1-B nhóm UAG1-F nhóm có phiên kết nối tới nhóm so sánh giá trị đo mức độ phù hợp R UAG1-F lớn giá trị R UAG1-B nên UAG1-F thích hợp (xếp vị trí thứ 1) để làm điểm giám sát cho phiên đến từ nhóm Tương tự UAG1A UAG1-C Một số luật sau dùng để chọn UAG làm điểm giám sát: - Nếu có phiên thuê bao thuộc vào hai nhóm UAG, UAG có liên quan tới phiên chọn điểm giám sát cho phiên - Một UAG chọn làm điểm giám sát kết nối với QoS L&C để cung cấp thông tin QoS trải qua phiên liên quan diễn - Nếu phiên UAG chọn làm điểm giám sát kết thúc, xuất số phiên khác liên quan tới nhóm UAG này, điểm giám sát chọn tùy vào phiên - UAG chọn làm điểm giám sát theo công thức (1) 77 Cũng chọn trước tập UAG có phù hợp cao phạm vi nhóm UAG làm điểm giám sát Những điểm giám sát chọn trước chia sẻ thông tin QoS triệu gọi phiên tương lai với QoS L&C Nếu thông tin bao trùm tồn tình kết nối xẩy với tất nhóm UAG liên quan khơng cần phải truy vấn thêm UAG Việc chọn trước tập điểm làm giám sát giúp hạn chế lưu lượng báo hiệu việc truy vấn UAG để lấy thông tin QoS Cũng kết hợp việc chọn trước tập điểm làm giám sát với phương pháp chọn lựa theo phiên truyền việc truy vấn phiên xẩy tùy vào giá trị R chúng Chú ý phải chọn điểm làm giám sát cho nhóm Mỗi điểm làm giám sát nhóm truy vấn liên tục để cung cấp thông tin QoS cho QoS L&C 3.3 Giải pháp khắc phục hạn chế chế phân nhóm ảo người dùng framework Cơ chế phân nhóm ảo người dùng framework đề nghị Weber phức tạp yêu cầu có kiến thức đầu vào mẫu đại diện, chế bootstrap, mà mục tiêu cuối tìm giá trị ρ phù hợp cho mạng nơron ART-2, ART-2 cần định nghĩa trước giá trị ρ Chính đề xuất sử dụng mạng nơ-ron Robust ART-2 Jiang-Bo Yin Hong-Bin Shen giới thiệu năm 2011 Về mạng ART-2 cải tiến hàm lặp cho phép tìm tự động giá trị tối ưu ρ giá trị ràng buộc C số nhóm tầng kiến trúc ART-2 Chi tiết phương pháp tìm tự động giá trị ρ , cách thức hạn chế gia tăng phân nhóm chế cải tiến trình bày cụ thể phần 3.3.1 Giải pháp tìm giá trị tham số vigilance tối ưu Với giả thiết toán: Cho tập liệu Ω gồm N mẫu Ω = { x1 , x2 , , xn } , { } Ω có Ck phân lớp với đại diện phân lớp v1 , v2 , , vC∗ , v j nút đại diện 78 cho phân lớp thứ j Giá trị lý tưởng ρ ART-2 cho Ω gọi ρ ∗ , ρ ∗ đảm bảo cho việc mẫu liệu đầu vào gán với phân nhóm phù hợp tổng số nhóm liệu sau kết thúc thuật toán gọi C * Các tác giả chứng minh hàm lặp - iterative function (2) hàm tìm giá trị tối ưu ρ ∗ sau kết thúc vòng lặp (2) Trong đó: - ρ0 giá trị khởi tạo cho tối ưu vòng lặp khởi tạo với giá trị 1.0 - ρi∗ giá trị lớn giá trị ρij - Ck số phân lớp mạng phân lớp tới mẫu thứ k - ρij biểu diễn cho tương đồng mẫu thứ i với đại diện phân lớp thứ j định nghĩa (3): (3) Trong β số chuẩn hóa (normalized term) - α1 khởi tạo 0.5 α hệ số hồi tiếp dương (0< α