Mạng NGN và vấn đề điều khiển qos luận văn thạc sĩ chuyên ngành điện tử viễn thông

Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS MỤC LỤC Các thuật ngữ viết tắt Lời nói đầu CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGN I.1 Mở đầu I.2 Mục đích mạng NGN 12 I.3 Kiến trúc mạng NGN 14 I.3.1 Lớp ứng dụng/dịch vụ 15 I.3.2 Lớp điều khiển 15 I.3.3 Lớp truyền thông 15 I.3.4 Lớp truy nhập 16 I.3.5 Lớp quản lý 16 I.4 Các thành phần mạng 16 I.4.1 Thiết bị SW 18 I.4.2 Cổng truyền thông 18 I.4.3 Cổng truy nhập 19 I.4.4 Cổng báo hiệu 19 I.4.5 Mạng trục IP 19 I.5 Các giao thức báo hiệu 20 I.5.1 Megaco/H248 20 I.5.2 BICC 23 I.5.3 SIP 24 I.5.4 H323 35 I.5.5 MGCP 41 CHƯƠNG II DỊCH VỤ VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG NGN 46 II.1 Các dịch vụ hệ sau 46 II.1.1 Các đặc trưng dịch vụ NGN 46 II.1.2 Các dịch vụ NGN cụ thể 48 II.1.2 Kiến trúc dịch vụ hệ sau 53 Lê Quang Tùng -2- Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS II.2 Chất lượng dịch vụ (QoS) mạng NGN 57 II.2.1 Định nghĩa 57 II.2.2 Các tham số đánh giá chất lượng mạng 58 II.2.3 Các chức QoS 59 CHƯƠNG III ĐIỀU KHIỂN QoS 62 III.1 Điều khiển quyền truy nhập 63 III.1.1 Giới hạn định 64 III.1.2 Giới hạn xác suất: băng thông tương đương 65 III.1.3 CAC dịch vụ tích hợp 68 III.1.3.1 Chất lượng dịch vụ đảm bảo 70 III.1.3.2 Dịch vụ điều khiển tải 74 III.2 Điều khiển truy nhập lưu lượng 77 III.2.1 Thuật toán điều khiển thu gọn luồng 78 III.2.1.1 Quy ước luồng 78 III.2.1.2 Định dạng PCR, SCR PT 79 III.2.1.3 Thuật toán tính tốn tốc độ cell tổng qt 80 III.2.2 Các cấu trúc thi hành 82 III.2.2.1 Bộ xử lý định thời 83 III.2.2.2 Thủ tục Write-in 83 III.2.2.3 Thủ tục Read-out 84 III.3 Lập lịch gói tin 84 III.3.1 Tổng quan 85 III.3.2 FIFO 86 III.3.3 Robin tròn 87 III.3.4 Stop-and-go 89 III.3.5 Chia sẻ xử lý chung 91 III.3.6 Hàng đợi công trọng số 94 III.3.7 Đồng hồ ảo 97 III.4 Quản lý đệm 99 Lê Quang Tùng -3- Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS III.4.1 Phương pháp bỏ đuôi 100 III.4.2 Phương pháp bỏ đầy 101 III.4.3 Phát sớm ngẫu nhiên .101 III.4.4 Bỏ gói phân biệt 107 III.4.5 RED cân đối 110 III.5 Điều khiển luồng tắc nghẽn 122 III.5.1 Điều khiển luồng dựa vào cửa sổ 113 III.5.2 Điều khiển luồng dựa tỷ lệ .114 III.5.3 Cơ chế điều khiển dự báo 115 III.6 Định tuyến QoS .116 III.6.1 Mơ hình đồ thị trọng số 118 III.6.2 Các thuật toán lựa chọn đường 119 III.6.2.1 Thuật tốn đường QoS tính tốn trước xác 119 III.6.2.2 Thuật tốn tính tốn theo u cầu đường QoS 121 III.6.2.3 Thuật tốn tính tốn đường QoS xấp xỉ 123 III.6.3 Tính phức tạp tính tốn 125 KẾT LUẬN 127 Tài liệu tham khảo 128 Lê Quang Tùng -4- Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ACF Admission Confirm API Application Program Interface ARQ Admission Request ATM Asynchronous Transfer Mode BICC Bearer Independent Call Control CAC Call Admission Control DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing FCFS First Come First Served FIFO First In First Out GCF Gatekeeper Confirm GRJ Gatekeeper Reject GRQ Gatekeeper Request HOL Hot Of Line HTML Hyper Text Mark Language IP Internet Protocol IN Intelligent Networking MG Media Gateway MGCP Media Gateway Control Protocol MPLS Multi Protocol Label Switching NPC Network pamameter Control PSTN Public Switched Telephone Network QoS Quality of Service RCF Registration Confirm RRJ Registration Reject SDH Synchronous Digital Hierachy SIP Session Initiation Protocol SMTP Simple Mail Transfer Protocol Lê Quang Tùng -5- Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS SS7 Signalling System No SW SoftSwitch TCP Transmission Control Protocol TDM Time Division Multiplex URQ Unregistration Reject VC Virtual Clock WDM Wavelength Division Multiplexing WFQ Weighted Fair Queing Lê Quang Tùng -6- Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS Lời nói đầu Xu hướng hội tụ công nghệ viễn thông công nghệ thơng tin có nhiều ảnh hưởng đến mạng viễn thơng, địi hỏi mạng viễn thơng phải có cấu trúc mở, linh hoạt, cung cấp nhiều loại dịch vụ khác cho người sử dụng, hiệu khai thác cao, dễ phát triển Để đáp ứng yêu cầu này, số nhà sản xuất thiết bị viễn thông số tổ chức nghiên cứu viễn thông đưa ý tưởng mơ hình cấu trúc mạng hệ sau (Next Generation Network – NGN) NGN mạng hệ mạng hoàn toàn mới, mạng kết hợp chặt chẽ hai mạng PSTN IP NGN dựa sở chuyển mạch truyền dẫn gói IP hướng tới MPLS Cũng mạng viễn thông trước đây, chất lượng dịch vụ mạng NGN vấn đề cộm cần tìm hiển, nghiên cứu Do vậy, tơi chọn đề tài “Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS” cho luận văn Mục đích luận văn là: • Tìm hiểu mạng NGN • Tìm hiều dịch vụ mạng NGN • Phân tích phương pháp điều khiển QoS Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô bạn bè tận tình giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Em xin đặc biệt chân thành cảm ơn thầy giáo TS Phạm Văn Bình nhiệt tình hướng dẫn bảo để em hoàn thành luận văn Học viên thực Lê Quang Tùng Lê Quang Tùng -7- Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG THẾ HỆ SAU NGN I.1 Mở đầu Trong năm gần đây, công nghệ mạng dịch vụ viễn thơng phát triển nhanh chóng, lưu lượng dịch vụ liệu vượt qua lưu lượng thoại Hiện nay, lưu lượng liệu có độ tăng trưởng cao, hàng năm thường vượt 100%, lưu lượng thoại tăng khoảng 10% Xu tiếp tục trì thời gian tới Sự phát triển nhanh dịch vụ liệu địi hỏi có chuyển biến việc xây dựng, quản lý khai thác mạng Có thể nói đời mạng hệ sau NGN thoả mãn yêu cầu tăng trưởng nhanh lưu lượng liệu lưu lượng thoại thời gian tới NGN sở hạ tầng đáp ứng xu hội tụ viễn thông – tin học diễn phương tiện khác loại hình dịch vụ, ứng dụng, phương thức truy nhập mạng hay chủng loại thiết bị đầu cuối Mạng viễn thông hệ (Next Generation Network-NGN) xu hướng nhiều nước giới tính chất tiên tiến hội tụ loại tín hiệu, mạng đồng băng thông rộng Tại Việt Nam, lĩnh vực viễn thông phát triển mạnh nhu cầu người dùng loại hình dịch vụ ngày cao việc tiến lên NGN vấn đề cấp bách ➢ Đặc điểm mạng NGN : - Sử dụng công nghệ chuyển mạch mềm (SoftSwitch) thay thiết bị tổng đài chuyển mạch phần cứng cồng kềnh Các mạng dịch vụ riêng rẽ kết nối với thông qua điều khiển thiết bị tổng đài nhất, thiết bị tổng đài dựa công nghệ chuyển mạch mềm Lê Quang Tùng -8- Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS - Điều kiển quản lý dịch vụ thực riêng rẽ, độc lập với lớp truyền tải lớp truy nhập mạng Phát triển dịch vụ sử dụng công nghệ mở, thực thông qua cổng giao diện lập trình ứng dụng API - Mạng băng thông rộng cung cấp đa dịch vụ: Mạng truyền dẫn quang với công nghệ WDM (Wavelength Division Multiplexing) hay DWDM (Dense WDM) - Có khả đảm bảo cung cấp chất lượng dịch vụ loại hình dịch vụ khác Những đặc tính làm cho NGN khác biệt so với mạng PSTN mạng IP (mạng Internet), hai loại hình mạng viễn thơng Những ưu điểm hạn chế hai mạng PSTN IP là: - Mạng PSTN: + Ưu điểm: thiết kế tối ưu cho dịch vụ thoại; độ trễ thấp; độ sẵn sàng cao; đảm bảo chất lượng dịch vụ + Hạn chế: mạng băng hẹp; không linh hoạt; chi phí thiết lập khai thác cao (và ngày cao hơn); công nghệ năm 80 - Mạng IP : + Ưu điểm: Hiệu sử dụng cao; linh hoạt; cung cấp dịch vụ băng hẹp băng rộng; chi phí thiết lập khai thác thấp (và ngày thấp đi) + Hạn chế : Dịch vụ “best efforts” (cố gắng tốt nhất); không tối ưu cho dịch vụ thoại; độ sẵn sàng không ổn định; chất lượng dịch vụ không PSTN; công nghệ năm 1990 NGN tổng hợp ưu điểm mạng PSTN Internet, mạng hội tụ dịch vụ IP dịch vụ điện thoại Mạng NGN có khả cung cấp: Lê Quang Tùng -9- Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS - Tính linh hoạt việc chuyển tải dạng tín hiệu Ngược lại, mạng PSTN thiết kế cho dịch vụ thoại; không linh hoạt, không hiệu để truyền tín hiệu liệu - Đảm bảo chất lượng dịch vụ cho gọi điện thoại ứng dụng truyền liệu “nhạy cảm” Do vậy, NGN có độ tin cậy cao, tương tự PSTN - Chi phí thiết lập, quản lý, khai thác thấp, tương tự Internet, không PSTN Điều đặc biệt quan trọng lưu lượng thoại liệu tích hợp lại cho độ tăng trưởng gấp ba lần sau năm Một đặc tính quan trọng NGN việc sử dụng truy cập băng rộng Trong mạng NGN, để sử dụng tối đa tiềm mạng, nhằm mang lại hiệu cao nhất, khách hàng cần có truy cập băng rộng (tốc độ tối thiểu 0,5 Mbit/s) Truy cập xDSL hình thức truy nhập mạng NGN Mạng NGN đời mang lại cho nhà cung cấp mạng khai thác dịch vụ thuận lợi sau: - Xây dựng, thiết lập mạng dễ dàng thành phần mạng có giá thành thấp so với thiết bị chuyển mạch kênh; chi phí xây dựng mạng thấp Cơng nghệ chuyển mạch gói phát triển nhanh, tỉ lệ giá thành/ lực xử lý giảm nhanh - Tạo điều kiện giảm chi phí quản lý khai thác NGN mạng đa dịch vụ Do vậy, chức giám sát bảo dưỡng mạng thực tập trung không tách rời mạng Đồng thời, NGN cho phép thực tự động hố nhiều cơng đoạn quản lý thuê bao, giám sát dịch vụ, giám sát cước Lê Quang Tùng - 10 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS - Tăng doanh thu từ dịch vụ NGN tạo điều kiện tăng thêm nguồn thu làm tăng đáng kể doanh thu dịch vụ nhờ việc cung cấp khả sau: + Cung cấp dịch vụ có khả tạo nguồn thu cao thương mại điện tử, phân phối phần mềm ứng dụng + Khả cung cấp dịch vụ nhanh chóng rẻ điều kiện dịch vụ tập trung, sử dụng giao diện lập trình ứng dụng (API) tập trung sử dụng ngơn ngữ lập trình chung làm cho việc tạo dịch vụ nhanh rẻ + Khả tạo dịch vụ tích hợp tổng hợp từ chức nhiều dịch vụ; ví dụ quản lý gọi nhắn tin thống nhất, trung tâm xử lý gọi Web, trung tâm hỗ trợ khách hàng qua Web, gọi multimedia - Tăng cường mối quan hệ nhà cung cấp dịch vụ khách hàng Quan hệ nhà cung cấp khách hàng gần gũi gắn bó do: + Khách hàng dùng Web để yêu cầu cung cấp dịch vụ mới, thay đổi hồ sơ khách hàng, kiểm tra cước toán cước + Đáp ứng nhu cầu khác khách hàng + Tạo điều kiện để khách hàng tiếp cận sử dụng dịch vụ điện tử, thương mại điện tử Phát triển mạng NGN phải tiếp tục hoàn chỉnh số nội dung liên quan cơng nghệ Đó giải pháp đảm bảo cung cấp chất lượng dịch vụ cách tin cậy hiệu việc truyền tải SDH WDM; thiết bị NGN chưa có khả cung cấp đầy đủ đặc tính dịch vụ thoại mà mạng PSTN cung cấp; lực thiết bị NGN chưa đáp ứng Lê Quang Tùng - 11 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS Vòng điều khiển phương pháp điều khiển dựa vào cửa sổ end-toend hop-to-hop Phương pháp cửa sổ end-to-end thực đơn giản Tuy nhiên, tắc nghẽn đệm node trung gian dọc đường nguyên nhân làm cho độ trễ end-to-end lớn, làm tăng thời gian quay trở lại nguồn tin cậy, làm giảm tỷ lệ liệu đưa vào mạng Để tăng độ sử dụng mạng, kích thước cửa sổ end-to-end tăng lên tải mạng giảm xuống trường hợp ngược lại Vì độ dài hàng đợi có xu hướng tăng theo hàm mũ tắc nghẽn, nên cửa sổ phải bị hạn chế tốc độ ổn định Một thiết kế thành cơng thích ứng cửa sổ tăng tuyến tính - giảm theo hàm mũ sử dụng NGN NGN sử dụng độ trễ vòng để trạng thái tắc nghẽn mạng Khi có gói, kích thước cửa sổ tăng chậm để giảm độ dao động cửa sổ Kích thước cửa sổ lớn cho phép nhiều đơn vị liệu phiên truy nhập vào mạng khoảng thời gian Tuy nhiên, đòi hỏi đệm lớn node dọc theo đường qua, tất đơn vị liệu bị tắc nghẽn node trung gian Trong NGN, đòi hỏi lớn Để giảm bớt điều này, Mitra đưa thích ứng cửa sổ tối ưu Trên khía cạnh khác, cửa sổ hop-to-hop giảm yêu cầu đệm chi phí việc sử dụng xử lý tin cậy node Vì tất gói tin phiên phân bổ dọc theo node từ nguồn đến đích, nên chúng khơng bị tắc nghẽn node trung gian Bên cạnh đó, cửa sổ hop-to-hop có thơng tin nhanh tắc nghẽn mạng III.5.2 Điều khiển luồng dựa tỷ lệ Điều khiển luồng dựa tỷ lệ loại điều khiển vịng khép kín loại điều khiển vòng hở Trong phương pháp điều khiển luồng dựa tỷ lệ, phiên định tỷ lệ liệu tương ứng với cần thiết đưa liệu vào Lê Quang Tùng - 114 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS mạng Tỷ lệ nên nằm khoảng giới hạn độc lập yêu cầu QoS Sự thực nghiêm ngặt điều khiển luồng vòng hở dựa vào tỷ lệ phiên với định tỷ lệ  gói/giây chấp nhận hầu hết gói 1/ giây Bộ định hình gáo dị dưu trì thẻ gáo, thẻ tạo thiết kế tỷ lệ phiên  miễn số lượng thẻ gáo không vượt ngưỡng  Gói HOL nhận thẻ từ gáo trước thích hợp để truyền Một đặc tính quan trọng suốt khoảng thời gian (,t], tổng số lưu lượng rời từ định hình gáo dị luôn lớn  + (t-) Hơn nữa, cưỡng ép tuyến tính ngăn cản liệu vào mạng, giới hạn độ trễ mạng đảm bảo Người ta đa đưa phương pháp điều khiển tỷ lệ vòng hở cho mạng NGN dựa kết hợp điều khiển truy nhập gáo dò quy tắc dịch vụ chia sẻ xử lý nội suy Phương pháp gọi điều khiển luồng GPS Vì sách dịch vụ cung cấp băng thông tối thiểu  nên độ trễ trường hợp xấu node giới hạn / Tuy nhiên, phương pháp đóng TDM, ngoại trừ kênh logic qua mạng trở lên rộng với  >1 Vì thế, nhược điểm phương pháp việc sử dụng tài nguyên mạng mạng không bị tắc nghẽn Các đề xuất tương tự bao gồm hàng đợi stop-and-go đồng hồ ảo, hai sử dụng điều khiển truy nhập giống gáo dị để thúc đẩy tính chất uyển chuyển phiên, đặc tính tỷ lệ truyền khoảng thời gian không đổi III.5.3 Cơ chế điều khiển dự báo Hiệu điều khiển phản hồi bị suy giảm độ trễ truyền lớn so với thờì gian truyền gói Các nghiên cứu gần điều khiển phản hồi tạo độ dao động chiều dài hàng đợi node thắt cổ chai Để giải vấn đề này, sử dụng số chế dự báo để đưa thông tin điều khiển bổ xung, chia vòng phản hồi dài thành vòng phản hồi ngắn Lê Quang Tùng - 115 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS Ta kết hợp phương pháp điều khiển tắc nghẽn dựa tỷ lệ hop-by-hop (HRCC) với chế điều khiển dự báo dựa mơ hình Trong HRCC, node thơng báo trước với node kề sau phần liệu chưa truyền phiên tỷ lệ truyền node Trong xem xét lại tỷ lệ truyền dựa việc nhận thông tin phản hồi từ node kề trước Giữa hai thơng tin phản hồi liên tiếp, mơ hình mơ xây dựng node (sử dụng thông tin phản hồi nhất) để dự báo phát triển hàng đợi tỷ lệ phiên node kề trước Dõ dàng phương pháp HRCC làm giảm độ dao động chiều dài hàng đợi, làm giảm tỷ lệ mât gói node thắt cổ chai lượng liệu đưa vào mạng cao so với kỳ thuật toán điều khiển phản hồi dựa tỷ lệ endto-end Điều khiển dự báo dựa mơ hình sử dụng rộng rãi trường điều khiển xử lý nhằm cải thiện hiệu suất hệ thống điều khiển trễ định thời Trong phương pháp điều khiển vậy, thông tin phản hồi sử dụng để bù lại dự báo khơng xác để tối thiểu độ lệch mơ hình ảo từ trạng thái thực tế hệ thống Một ví dụ khác phương pháp điều khiển luồng cân (BBFC), Ý tưởng phương pháp phân bổ công tất phần liệu chưa truyền vào mạng node chưa bị tắc nghẽn Giao thức phản hồi nhị phân sử dụng để thực điều khiển luồng mơ hình mơ xây dựng node để đánh giá phát triển hàng đợi node kề trước Giả sử rằng, tỷ lệ dịch vụ node điều chỉnh cách thường xuyên Công thức cập nhật tỷ lệ xuất phát từ mơ hình tham chiếu tuyến tính III.6 Định tuyến QoS Trong mạng truyền thống, định tuyến có liên quan đến kết nối Các giao thức định tuyến thường đặc trưng cho mạng với metric đơn, đếm bước nhảy độ trễ, sử dụng thuật toán đường ngắn để tính tốn, ước lượng đường Sự định định tuyến tạo mà không cần bất Lê Quang Tùng - 116 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS hiểu biết tài nguyên mạng Điều có nghĩa luồng thường định tuyến đường mà không hỗ trợ Để xem xét yêu cầu QoS ứng dụng cải thiện hiệu mạng, đường sử dụng phải có yêu cầu tài nguyên xác Định tuyến QoS thực cách lựa chọn sử dụng đường gói tin luồng dựa yêu cầu QoS nó, băng thơng hay độ trễ Nó tương tự tập thuật tốn mà nhận dạng đường có tài ngun khơng sử dụng để thoả mãn yêu cầu QoS kết nối đưa Như đường gọi đường khả thi Hơn nữa, hầu hết thuật toán định tuyến QoS xem xét tối ưu hoá sử dụng tài nguyên mạng đo metrics Các vấn đề định tuyến QoS tìm hiểu việc lựa chọn đường có nhiều yêu cầu QoS vấn đề tính tốn phức tạp Các giao thức định tuyến tìm giới hạn việc tính tốn khả thi Bên cạnh đó, mạng dịch vụ tích hợp tương lai chứa QoS lưu lượng best-effort Thật khó để điểm hoạt động tốt cho loại lưu lượng phân bổ chúng độc lập Trên khía cạnh khác, trạng thái mạng thay đổi liên tục dao động tải thời, kết nối vào ra, liên kết đường lên đường xuống Sự lớn mạnh kích cỡ mạng làm cho khó để tập hợp thông tin trạng thái up-to-date môi trường động Hiệu suất thuật tốn định tuyến QoS bị giảm sút nghiêm trọng thông tin trạng thái không cập nhật Trong phần thảo luận việc định tuyến QoS mạng NGN - mạng có dịch vụ tích hợp Với biến đổi mạnh yêu cầu QoS, tiếp tục dựa vào cách định tuyến thông thường Một xử lý dự trữ tài nguyên tiêu biểu có bước: Tìm kiếm tài ngun đánh dấu tài nguyên tìm thấy Các tài nguyên phát tạo định tuyến tìm đường với tài nguyên phù hợp với Lê Quang Tùng - 117 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS yêu cầu người sử dụng Vì vậy, chiến lược định tuyến phải xem xét đến dải rộng yêu cầu QoS Việc lựa chọn đường phạm vi định tuyến có cơng thức rõ ràng vấn đề tối ưu đường ngắn để chuỗi liên kết mạng nguồn đích giống hàm riêng có tính khách quan tối ưu (ví dụ: đếm bước nhảy, trễ, chi phí) Sau tìm hiểu số thuật tốn hiệu sử dụng mạng NGN III.6.1 Mơ hình đồ thị trọng số Một mạng xem đồ thị G=(V,E) Node (V) đồ thị miêu tả chuyển mạch, định tuyến host Cung (E) kết nối truyền thông Các cung không trực tiếp liên kết truyền thông luôn đối xứng Một kết nối đối xứng kết nối có đặc tính (dung lượng, độ trể ) lưu lượng hướng Với hầu hết mạng thực tế, liên kết truyền thông không đối xứng, từ ta coi kết nối diễn tả cung trực hướng đối diện 3 2 3 1 Hình 3.22: Mơ hình đồ thị trọng số Hình 3.22 mơ hình đồ thị trọng số Mọi kết nối có tình trạng đo metric QoS Ví dụ, tình trạng kết nối băng thơng, độ trễ, chi phí kết hợp chúng Ngồi node có trạng thái riêng Trạng thái node độc lập kết hợp từ trạng thái node bên Lê Quang Tùng - 118 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS cạnh Trogn trường hợp gần đây, phần băng thông dư phần nhỏ băng thông kết nối băng thông CPU Băng thông CPU định nghĩa tỷ lệ lớn mà node đẩy liệu vào kết nối Độ trễ kết nối gồm có độ trễ truyền độ trễ xếp hàng node Chi phí kết nối định tổng tiêu thụ tài nguyên kết nối node III.6.2 Các thuật toán lựa chọn đường III.6.2.1 Thuật toán đường QoS tính tốn trước xác Xem xét thuật toán lựa chọn đường dựa thuật toán đường ngắn (Bellman-Ford), tương ứng với tính tốn đường có dải thơng lớn tất bước nhảy Với việc đưa cấu hình mạng kết nối metric, thuật tốn cho phép tính tốn trước tất đường QoS Đặc biệt, thuật tốn cho phép tính tốn trước đích có bước nhảy nhỏ với băng thông lớn so sánh với thuật tốn đường ngắn chuẩn Đặc tính thuật tốn BF lặp lại thứ h suốt đường có tối đa h bước nhảy Nó nhận đường tối ưu (băng thơng lớn có thể) nguồn đích Vì ngồi lợi dụng xử lý thuật toán BF việc tăng bước nhảy Đặc biệt, lần lặp lại thứ k thuật tốn, băng thơng lớn có khả đến tất đích đường tìm ra, với thông tin định tuyến tương ứng Sau thuật tốn kết thúc, thơng tin giúp nhận biết đường có số bước nhảy nhỏ với đủ băng thông để cung cấp cho yêu cầu Hơn nữa, đường với băng thơng lớn tất đường khả thi có số bước nhảy nhỏ Thuật tốn ln ln chọn lựa chọn đường có băng thong lớn Chúng ta xem xét miêu tả thuật toán chi tiết cấu trúc liệu sử dụng để ghi thông tin định tuyến Gọi băng thông có cung đỉnh n đỉnh m b(n,m) Đỉnh tương ứng với định tuyến có thuật toán Lê Quang Tùng - 119 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS chạy gọi node nguồn Thuật toán xử lý đường tính tốn trước từ node nguồn đến tất mạng đích cho tất giá trị băng thơng Tại lập lại (bước nhảy), kết tức thời ghi vào bảng định tuyến theo cấu trúc sau: • Một ma trận H x K, H số bước nhảy cho phép lớn đường K số node đích • Mục (h,n) tạo trogn suốt q trình lặp lại (giá trị bước nhảy) thuật tốn, bao gồm trường: - bw (bandwidth): Băng thông lớn đường nhiều h bước nhảy node nguồn node đích n - nb (neighbor): Thông tin định tuyến kết hợp với đường h bước nhảy (hoặc ngắn hơn) đến node đích n có băng thơng bw Trong trường hợp lựa chọn đường hop-by-hop, thông tin kề bên nhận dạng node kề với node nguồn đường H bw 4 nb 3 bw 4 nb 3 Node đích bw nb bw nb 0 3 3 3 bw 0 4 nb 3 Hình 3.23: Bảng định tuyến QoS mơ hình đồ thị trọng số Khi thuật toán gọi, bảng định tuyến khởi tạo với tất trường bw đặt trường trường nb khơng có Với lần lặp thứ h đích n, thuật tốn chép bw nb từ dịng h-1 đến dịng h Sau thuật tốn tìm kết nối (m,n) kiểm tra băng thơng lớn đường h bước nhảy đến node n, bước nhảy cuối liên kết Nếu giá trị kết cao trường bw mục (h,n) đường tốt (giá trị bw lớn hơn) tìm đích n với nhiều h bước nhảy Trường bw mục (h,n) sau cập nhật với giá trị Trong trường hợp định tuyến hop- Lê Quang Tùng - 120 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS by-hop, ghi trường nb nhận dạng bước nhảy (bước node nguồn) Thuật tốn kết thúc khơng có thay đổi tất giá trị mục dòng h-1 dòng h đạt số lần lặp lại lớn Bảng gồm tất giá trị bảng định tuyến QoS cho lần lặp lại h mơ hình đồ thị trọng số III.6.2.2 Thuật tốn tính tốn theo yêu cầu đường QoS (Thuật toán Dijkstra động) Thuật toán xem xét phần trước cho phép tính tốn trước đường QoS Tuy nhiên, khả thi số trường hợp (như số giới hạn yêu cầu đường QoS) để thay thực tính tốn theo yêu cầu dựa yêu cầu đường QoS Dưới xem xét thuật tốn Dijkstra chuẩn thực để đưa đường có số bước nhảy nhỏ mà cung cấp băng thơng theo yêu cầu lớn Về cớ bản, thuật tốn thực việc tính tốn đường có bước nhảy nhỏ đồ thị từ tất cung có băng thơng nhỏ khả thi Điều thực thơng qua bước xử lý kiểm tra giá trị băng thông khả thi cho bât kỳ cung xem xét Thuật tốn cấu trúc liệu thường ghi thơng tin định tuyến chi tiết sau Giả sử băng thông khả thi cung đỉnh n đỉnh m b(n,m) Thuật tốn trì vector t có kích thước K với số node đích Mỗi mục n vector t bao gồm trường: • bw (bandwidth): Băng thông khả thi lớn đường node nguồn s node đích n • hc (hop count): Số bước nhảy nhỏ đường node nguồn s node đích n • nb (neighbor): Đây thông tin định tuyến kết hợp Thông tin nb sử dụng để nhận dạng node kề với node nguồn s đường Lê Quang Tùng - 121 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS Hơn nữa, thuật tốn trì • giá trị đặc biệt hc[s] bw[s] cho node nguồn s, node nguồn khởi tạo hc[s] bw[s]  trước chạy thuật tốn • Đặt S đỉnh có số bước nhảy nhỏ đường từ node nguồn s mà chưa tìm thấy Khởi tạo, S bao gồm tất đỉnh (V) đồ thị Dijkstra(G,t,b,f,s) /* Initialization */ for (each destination n in the vector t) begin hc[n] = Infinity; bw[n] = undefined; nb[n] = undefined; end hc[s] = 0; S = the set that contains all vertices in the Graph G; while (S is not empty) begin u = the vertex in S whose value in the field hc is minimum; S = S –(u); for (each vertex v adjacent to u) begin if ((b(u,v) >= bandwidth requirement f) and (hc(v)> [u]+1)) then begin hc[v] = hc[v] + 1; bw[v] = min{bw[u], “b(u,v)}; if (the vertex u is the source node s) then nb[v] = v; else nb[v] = nb[u]; end end end Hình 3.24 : Code mơ thuật toán Dijkstra Lê Quang Tùng - 122 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS Số lặp lại u S 6 1,2,3,4,5,6 2,3,4,5,6 3,4,5,6 4,5,6 5,6 Node h b n c w b  - 2 2 2 2 2 2 Node h b n c w b  - 4 4 4 Node đích Node h b n c w b  -  - 2 2 3 3 3 3 Node h b n c w b  -  -  -  -  - 3 Node H b n c w b  -  -  -  4 4 Bảng giá trị vector t lần lặp lại để xem xét cách thuật toán làm việc Để đưa băng thông theo yêu cầu f=2, đường QoS từ node nguồn s=1 tới tất đỉnh khác tính tốn Thuật tốn kết thúc S III.6.2.3 Thuật tốn tính toán đường QoS xấp xỉ (Thuật toán Dijkstra tĩnh) Thuật tốn Dijkstra cho phép tính tốn trước tuyến QoS cho tất đích giá trị băng thơng Việc cho phép tính tốn trước đường giúp giảm tính tốn Tuy nhiên, bị chi phí độ xác đường tính tốn Điều có nghĩa đường có số bước nhảy lớn cần thiết Sự mát đến từ tin cậy vào giá trị băng thông lượng tử hố mà sử dụng tính tốn đường có số bước nhảy tối thiểu Nói cách khác, dải giá trị băng thơng tích cực yêu cầu luồng định sẵn số cố định giá trị lượng tử hố, đường có số bước nhảy tối thiểu tạo cho giá trị lượng tử hố Sau đó, luồng đến đường có số bước nhảy tối thiểu có giá trị lượng tử hố nhỏ lớn so với yêu cầu Ví dụ, giả sử giá trị băng thơng đồ thị hình sau lượng tử hoá 2,4,6 Các đường có số bước nhảy tối thiểu đến đích tính tốn với giá trị Một luồng với yêu cầu băng thông f=3 với giá trị lượng tử hoá mà đường có số bước nhảy tối thiểu sử dụng Cấu trúc bảng định tuyến sau: Lê Quang Tùng - 123 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS • Một ma trận KxQ, K số đích Q số giá trị băng thơng lượng tử hố • Mục (n,q) chứa thơng tin để nhận dạng đường có số bước nhảy tối ưu đến đích n mà có khả cung cấp u cầu băng thơng bw[q] (giá trị băng thơng lượng tử hố thứ q) Nó bao gồm trường: - hc (số bước nhảy): Số bước nhảy tối thiểu đườgn node nguồn đích n mà cung cấp u cầu đơn vị băng thơng bw[q] - nb (hàng xóm): Đây thơng tin định tuyến kết hợp với đường có số bước nhảy tối thiểu đến đích node n mà có băng thơng bw[q] Các hoạt động thuật toán đồ thị có hướng metric kết hợp với cung (n,m) đồ thị băng thơng b(n,m) Với số q, thuật toán xoá từ topo mạng gốc tất kết nối (n,m) có b(n,m) < bw[q], sau chạy topo thuật toán số bước nhảy tối thiểu Dijkstra node nguồn tất node khác đồ thị Chú ý thuật toán Dijkstra sử dụng cho tính tốn theo u cầu, loại trừ kết nối có b(n,m) < bw[q] thực chạy thuật toán Sau thuật toán kết thúc, cột thứ q bảng định tuyến cập nhật Để đảm bảo đường với băng thông tối đa luôn chọn tất đường có số bước nhảy tối thiểu, cập nhật nhỏ khác sử dụng vài trường hợp Đặc biệt, đưa dịng ( ví dụ đích node n) giá trị trường số bước nhảy cột q tìm từ gia trị cột q+1 (ở giả sử có bước nhảy) sau thuật tốn chép giá trị trường kế bên từ mục (n,q+1) vào mục (n,q) Bảng sau đưa ví dụ để miêu tả mục bảng định tuyến QoS lập lại giá trị băng thơng lượng tử hố q=2 bàng việc sử dụng mơ hình đồ thị trọng số hình 3.22 Lê Quang Tùng - 124 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS Số lặp lại U S 1,2,3,4,5,6 2,3,4,5,6 3,4,5,6 4,5,6 5,6 Node hc nb  2 2 2 Node hc nb  3 3 3 Node đích Node hc nb   2 2 2 2 2 Node hc nb      3 3 Node Hc nb     3 III.6.3 Tính phức tạp tính tốn Các phương pháp miêu tả dựa thuật toán Bellman-Ford thuật toán đường ngắn Dijkstra Thuật toán Dijkstra xem xét đầy đủ tính tốn đường ngắn chuẩn Lợi nhuận việc sử dụng thuật toán Dijkstra việc lựa chọn đường QoS lớn so với thi hành OSPF tồn Sự tính tốn đường theo u cầu thuật tốn Dijkstra cung cấp tính tốt tối ưu hoá cần thiết cho việc lưu trữ cấu trúc liệu có u cầu cho đường QoS Sự tính tốn trước đường thuật toán Dijkstra giúp làm giảm tính tốn lại ngun nhân làm độ xác đường tính tốn trước Tiếp đó, số cân nhắc xem xét lại trường hợp đường QoS đa tiêu chuẩn, chúng khẳng định phương pháp BF thường cung cấp giải pháp tính tốn đỡ phức tạp Tính phức tạp tiệm cận trường hợp tồi việc thi hành chuỗi nhị phân thuật tốn Dijkstra O(E log V), V số đỉnh đồ thị E số lượng cung Giới hạn tiệm cận trường hợp tồi thuật tốn BF O(H E), H số lần lặp lại lớn thuật toán giới hạn số bước nhảy đường ngán Mặc dù mặt lý thuyết H lớn V-1, thực tế thường nhỏ V Trong số mạng thực tế, thuật toán BF đưa giải pháp hiệu cho vấn đề đường ngắn nhất, thường tốt thuật tốn Dijkstra Lê Quang Tùng - 125 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS Trong trường hợp chọn lựa đường QoS, lợi nhuận tiềm thuật tốn BF chí cịn rõ ràng Như đề cập trên, việc lựa chọn hiệu đường phù hợp cho luồng với QoS theo u cầu thường khơng thể tính tốn thủ cơng việc sử dụng tiêu chuẩn tối ưu hoá mục tiêu đơn Trong lựa chọn đường đa mục tiêu biết đến vấn đề khó thuật tốn BF cho phép đưa mục tiêu thứ 2, gọi bước nhảy, phản ánh tài nguyên mạng Ngược lại, thuật toán Dijkstra yêu cầu số thay đổi (hoặc xấp xỉ, ví dụ lượng tử hố băng thơng) để thoả thuật với bước nhảy mục tiêu thứ Khi tính tốn theo u cầu đường thực hiện, thuật toán Dijkstra cung cấp giải pháp xác để tính tốn O(E log V) Nếu đường QoS tính trước với giá trị băng thơng tối ưu hố Q, tính phức tạp tiệm cận trường hợp tồi tương ứng O(QE log V) Lê Quang Tùng - 126 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS KẾT LUẬN Mạng NGN với ưu điểm rõ rệt so với mạng PSTN truyền thống xu hướng phát triển tất yếu mạng viễn thông Mạng NGN tạo bước phát triển dài ngành viễn thông nước ta, đem đến cho người sử dụng nhiều loại dịch vụ viễn thông đa phương tiện với giá thành rẻ Vấn đề điều khiển chất lượng dịch vụ mạng NGN vấn đề quan trọng Điều khiển QoS giúp cho dịch vụ mạng có chất lượng tốt có tham số dịch vụ yêu cầu, điều khiển QoS cịn giúp cho việc truyền thơng tin mạng nhanh chóng, xác hiệu Đề tài “Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS” nhằm mục đích tìm hiểu tổng quan mạng NGN, phân tích dịch vụ phương pháp điều khiển QoS mạng NGN Hiện nay, Việt Nam mạng NGN triển khai chuẩn bị đưa vào hoạt động, luận văn dừng lại mức độ nghiên cứu lý thuyết Việc nghiên cứu giúp hiểu rõ cấu trúc, hoạt động mạng NGN nắm bắt chế phương pháp điều khiển chất lượng dịch vụ mạng NGN Và tảng, tiền đề để sau tiếp tục nghiên cứu phương pháp nâng cao QoS mạng NGN Do thời gian trình độ cịn nhiều hạn chế nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu xót nhầm lẫn Tơi kính mong nhận nhận xét góp ý từ thầy cơ, đồng nghiệp bạn để hiểu biết sâu vấn đề Tôi xin chân thành cảm ơn Lê Quang Tùng - 127 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cơng ty Bưu viễn thơng Việt Nam, “Mạng Viễn Thông Thế Hệ Sau”, Nhà xuất Bưu Điện, 12/2002 [2] H Jonathan Chao, Xiaolei Guo, “Quality of Service Control in High-Speed Networks”, John Wiley & Sons INC , 2002 [3] Johan Zuidweg, “Next Generation Intelligent Networks”, Artech House INC , 2002 [4] Neill Wilkinson, “Next Generation Network Services”, John Wiley & Sons INC., 2002 [5] Siemens, “Next Generation Network the Siemens Solution”, 2001 [6] “Benchmark of NGN - Quality of Service Technologies”, NGN initiative, 03/2002 Lê Quang Tùng - 128 - Cao học ĐTVT 2002-2004 ... IP NGN dựa sở chuyển mạch truyền dẫn gói IP hướng tới MPLS Cũng mạng viễn thông trước đây, chất lượng dịch vụ mạng NGN vấn đề cộm cần tìm hiển, nghiên cứu Do vậy, chọn đề tài ? ?Mạng NGN vấn đề điều. .. chọn đề tài ? ?Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS? ?? cho luận văn Mục đích luận văn là: • Tìm hiểu mạng NGN • Tìm hiều dịch vụ mạng NGN • Phân tích phương pháp điều khiển QoS Tôi xin gửi lời cảm ơn đến... Megaco/H.248 điều khiển MG để kết nối luồng từ Sơ đồ điều khiển MG Megaco/H.248 thể hình sau Lê Quang Tùng - 20 - Cao học ĐTVT 2002-2004 Mạng NGN vấn đề điều khiển QoS Hình 1.5: Sơ đồ điều khiển MG