Nghiên cứu phương pháp xác định trễ gói ip trong mạng truyền tải thế hệ mới (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG _ Đào Ngọc Lâm NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TRỄ GÓI IP TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Hà Nội – 2014 Cơng trình hồn thành Học viện cơng nghệ Bưu – Viễn thơng Người hướng dẫn khoa học: 1) PGS TS LÊ HỮU LẬP 2) PGS TS LÊ NHẬT THĂNG Phản biện 1: GS TS PHAN XUÂN MINH Phản biện 2: PGS TS ĐỖ QUỐC TRINH Phản biện 3: GS TS VŨ ĐỨC THI Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp Học viện công nghệ Bưu – Viễn thơng Vào hồi 15 giờ, ngày 03 tháng 04 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện quốc gia Việt Nam - Trung tâm thông tin thư viện, học viện Cơng nghệ Bưu – Viễn thơng DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU CDF TÊN ĐẦY ĐỦ Cumulated GIẢI THÍCH Distribution Hàm phân bố xác suất Function tích lũy IPTD IP Packet Transport Delay Trễ truyền tải gói IP IPDV IP Packet Delay Variation Biến động trễ gói IP MLE Maximum Likelihood Ước lượng khả Estimation cực đại (giống nhất) NGN Next Generation Network Mạng hệ PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất -1- MỞ ĐẦU i) Bối cảnh, lý lựa chọn cần thiết đề tài luận án Trong xu phát triển hội tụ công nghệ, mạng truyền thông hệ (NGN) hình thành nhằm đáp ứng nhu cầu truyền thơng loại hình dịch vụ đa phương tiện, đặc biệt loại hình dịch vụ Internet Trễ gói IP mạng truyền tải NGN yếu tố có ý nghĩa tính chất định chất lượng dịch vụ đặc biệt dịch vụ tương tác thời gian thực Phương pháp xác định trễ gói IP mạng truyền tải NGN nghiên cứu nhiều điểm tồn vấn đề mở tranh luận Đây hướng nghiên cứu có tính thời cần thiết giai đoạn phát triển hoàn thiện NGN toàn cầu ii) Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu phương pháp xác định trễ gói IP với đặc trưng thống kê Phạm vi nghiên cứu sau:  Trễ gói IP chiều xét phạm vi mạng truyền tải lõi NGN  Các đặc trưng thống kê liên quan trễ gói IP xét đến gồm biến động trễ phân bố trễ xét miền thời gian iii) Mục đích, ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục đích nghiên cứu giải toán khoa học thực tiễn lựa chọn phương pháp đo, ước lượng tổng hợp trễ gói IP, phân tích đặc trưng trễ gói, so sánh hiệu mạng phương diện trễ gói tin, từ đánh giá mức độ hiệu sử dụng mạng Kết nghiên cứu bổ sung hệ thống hóa sở lý thuyết mơ hình hóa khoa học đo lường vận dụng vào thực tiễn quản lý khai thác, đánh giá hiệu mạng, cụ thể xác định trễ gói IP phạm vi mạng truyền tải lõi NGN cách linh hoạt, -2- giúp giảm thiểu chi phí đo trực tiếp độ phức tạp tính tốn giải vấn đề liệu thu thập không đầy đủ thực tế iv) Bố cục luận án CHƯƠNG – Tổng quan CHƯƠNG – Phương pháp xác định số đo trễ gói IP qua mạng truyền tải NGN CHƯƠNG – Phương pháp xác định phân bố trễ gói IP qua mạng truyền tải NGN CHƯƠNG – Phương pháp xác định biến động trễ gói IP qua mạng truyền tải NGN CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN PHÁT BIỂU BÀI TOÁN Bài toán đặt cần giải xác định phương pháp mơ hình tốn biểu diễn IPTD, phân bố IPTD, IPDV đại lượng đặc trưng thống kê liên quan, mối tương quan trễ tồn trình với trễ thành phần mạng truyền tải lõi NGN, đồng thời kiểm nghiệm kết cách đánh giá sai số mơ hình lý thuyết mơ hình thực nghiệm có từ liệu đo mạng thực tế Bài toán xét đến với giả thuyết mạng truyền tải lõi NGN có cấu hình xác lập trước, sử dụng để truyền tải lưu lượng đa dịch vụ truyền thông điều kiện hoạt động bình thường, sai số gây phương tiện hỗ trợ đo thống kê IPTD không đáng kể 1.2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu thiết lập phương pháp mơ hình tốn xác định trễ gói IP với đặc trưng phân bố trễ biến động trễ gói IP mạng truyền tải lõi NGN Các nội dung nghiên cứu bao gồm: -3-  Nghiên cứu sở lý thuyết, phương pháp luận, mơ hình thực mạng thực tế điều kiện thực nghiệm liên quan đến việc xác định số đo thống kê IPTD qua mạng truyền tải NGN  Nghiên cứu phương pháp xác định mơ hình tốn ước lượng tham số phân bố IPTD qua mạng truyền tải lõi NGN từ liệu thống kê thực nghiệm, so sánh đánh giá sai số mơ hình lý thuyết thực nghiệm để lựa chọn mơ hình phù hợp từ mơ hình giả thuyết  Nghiên cứu phương pháp thiết lập mơ hình toán tổng hợp hàm phân bố IPTD qua liên mạng truyền tải NGN từ tham số phân bố trễ thành phần, xác định quan hệ quy luật phụ thuộc tham số mơ-men phân bố tồn trình vào tham số IPTD thành phần  Nghiên cứu phương pháp mơ hình tốn ước lượng IPDV tồn trình từ mơ-men phân bố IPTD thành phần, đánh giá sai số để lựa chọn mức phân vị CDF thực nghiệm IPTD tồn trình qua liên mạng lõi NGN; thiết lập mơ hình tốn xác định IPDV qua nút mạng truyền tải NGN đa dịch vụ 1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp chủ yếu xun suốt luận án phân tích tốn học xác suất thống kê, mô mô MATHLAB tiến hành thực nghiệm để kiểm nghiệm giả thuyết CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỐ ĐO TRỄ GÓI IP QUA MẠNG TRUYỀN TẢI NGN 2.1 NGN VÀ MẠNG TRUYỀN TẢI NGN Khác với mạng truyền liệu truyền thống, NGN có kiến trúc phân lớp nhiều giao thức liên quan để cung cấp đa loại hình dịch vụ bao gồm thoại, video, liệu dịch vụ gia tăng ký -4- sinh khác sử dụng mạng NGN Do đặc trưng trễ gói IP hẳn có thay đổi so với mạng truyền thống trước Với kiến trúc phân tầng phân miền NGN, IPTD hình thành tích lũy từ phần tử mạng xử lý lưu lượng đa loại hình dịch vụ kết nối truyền tải IP/MPLS có băng thơng rộng, tốc độ cao Việc tích hợp IP với chuyển mạch nhãn đa giao thức tốc độ cao làm thay đổi tính chất IPTD mạng lõi NGN 2.2 MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỐ ĐO TRỄ GĨI IP IPTD xác định thơng qua mơ hình tốn sau: (2.1) với N số nút mạng gói qua, Ts thời điểm bit gói xuất hàng đợi nút mạng phát, Tr thời điểm bit cuối gói đến hàng đợi nút mạng thu, Dprop trễ lan truyền qua môi trường truyền tải, Dq trễ hàng đợi phụ thuộc vào lưu lượng đại lượng ngẫu nhiên, Dtr=L/s trễ phát gói với s tốc độ đường truyền ngõ ra, L kích thước gói, Dproc= Dh+Dp trễ xử lý gói IP với Dh, Dp tương ứng trễ xử lý phần mào đầu chuyển tiếp phần tải tin Phương pháp tích cực sử dụng gói dị có cấu trúc xác định với nhãn thời gian, số trình tự chèn vào luồng lưu lượng truyền tải qua mạng điểm đo phương pháp thụ động dựa việc giám sát để chọn gói mang lưu lượng trực tiếp từ phần tử mạng tác tử (agent) điểm đo qua giao thức SNMP vận dụng kết hợp để xác định số đo IPTD -5- CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ TRỄ GÓI IP QUA MẠNG TRUYỀN TẢI NGN 3.1 XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ IPTD QUA MẠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ Nội dung nghiên cứu giải toán gồm bước: xác định họ phân bố giả thuyết cạnh tranh sau loại trừ họ phân bố không phù hợp sở phân tích định tính định lượng sơ phân bố thực nghiệm trễ gói IP mang lưu lượng Internet truyền tải qua mạng lõi NGN, ước lượng tham số phân bố giả thuyết, so sánh đánh giá phù hợp sai số mơ hình phân bố lý thuyết thực nghiệm để lựa chọn mơ hình tối ưu 3.1.1.1 i) Phương pháp ước lượng tham số phân bố Phương pháp cân mô-men Phương pháp cân mô-men dựa sở cân mô-men phân bố mẫu đo thực nghiệm với mô-men phân bố theo lý thuyết: ii) Phương pháp MLE Giả sử d biến ngẫu nhiên có CDF F(d,θ) PDF f(d,θ) với θ={θ1,2,…, θP} tập tham số phân bố, d={d1, d2…,dN} tập mẫu quan sát Hàm L(θ | d) định nghĩa hàm khả có giá trị θ biết trước giá trị d hay gọi tắt hàm khả Nguyên tắc phương pháp MLE xác định nghiệm Θ để hàm khả L(θ | d) đạt cực đại theo đối số : (3.15) Phương pháp giải sở giả thiết tập mẫu có phân bố độc lập với với hàm khả sau: -6- (3.16)    (3.17) Có thể nhận thấy điều kiện cực đại L(θ | d) điều kiện cực đại xác định hệ phương trình:  3.1.1.2 (3.18) Phương pháp lựa chọn đánh giá sai số mô hình Các mơ hình phân bố cạnh tranh so sánh để lựa chọn mơ hình phù hợp thơng qua việc đánh sai số mơ hình lý thuyết so với phân bố thực nghiệm theo phương pháp sau: i) Phân tích đặc trưng phân bố thực nghiệm Mơ hình phân bố IPTD giả thuyết lựa chọn sơ dựa việc khảo sát tập mẫu thống kê thu thập theo tiêu chí như: - Xác định tham số thống kê như: giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất, kỳ vọng, phương sai hay mô-men bậc thấp - Phân tích đồ thị phân bố trễ để xác định thuộc tính tiềm ẩn tỉ lệ phân bố thân đi, tính đối xứng ii) Loại bỏ mơ hình phân bố khơng phù hợp Phương pháp dựa việc kiểm tra số liệu thống kê theo phân bố thực nghiệm so với số liệu tính tốn từ phân bố giả thuyết để loại trừ mơ hình khơng phù hợp theo với tiêu chí: - Độ lệch mẫu thực nghiệm so với mơ hình giả thuyết không chấp nhận - Hệ số mô hình phân bố khơng thể ước lượng với độ bất định cho phép -7- - Không phù hợp quy luật biến thiên liệu tiên đoán mẫu với độ tin cậy định iii) Chọn mơ hình phân bố tối ưu Phương pháp chọn phân bố tối ưu dựa lý thuyết biến đổi tích phân xác suất sử dụng để lựa chọn phân bố có sai số bé cịn lại sau loại trừ phân bố không phù hợp: Nếu biến ngẫu nhiên X có CDF hàm liên tục FX(x) Y= FX(X) biến ngẫu nhiên có phân bố đồng [0, 1] Vì vậy, quy việc kiểm tra tập giá trị quan sát D={d1,d2,…dM} theo mơ hình phân bố FD(d,) phép kiểm tra tập giá trị Y={FD(d1,), FD(d2,),… FD(dM,)} có phù hợp với mơ hình phân bố đồng hay khơng:  Bước 1: Thu thập mẫu liệu thống kê: d1< d2< … < dM  Bước 2: Thực phép ánh xạ {di}i[1,M]{Yi=FX(di,)} i [1,M]  tập tham số ước lượng FD(d,) CDF giả thuyết tập mẫu D Yi mong đợi tuân theo CDF đồng nhất: (3.34)  Bước 3: Xác định hàm phân bố thực nghiệm FY(y) cho Y={Yi}: (3.35)  Bước 4: Xác định sai số phép ước lượng: (3.36), (3.37)  Bước 5: Lựa chọn phân bố giả thuyết có sai số E chấp nhận 3.1.2 3.1.2.1 Thiết lập lựa chọn mơ hình tốn ước lượng tham số Ước lượng tham số phân bố gamma chuyển dịch Mơ hình phân bố gamma chuyển dịch có PDF CDF sau: - 12 - 3.1.4 Đề xuất chọn mơ hình phân bố IPTD lưu lượng Internet qua mạng truyền tải lõi NGN Phương pháp MLE giải thuật đánh giá sai số mơ hình theo phương pháp biến đổi tích phân xác suất vận dụng để lựa chọn mơ hình phân bố tối ưu lưu lượng Internet qua mạng truyền tải lõi NGN từ liệu đo thống kê thực nghiệm Từ phân tích đặc trưng phân bố thực nghiệm cho thấy IPTD thành phần lưu lượng Internet miền mạng truyền tải lõi NGN với kết khảo sát từ nghiên cứu trước, số mô hình phân bố giả thuyết lựa chọn để kiểm tra phù hợp mơ hình như: ‘gamma’, ‘Pareto’, 'exponential', ‘Gaussian ‘, ‘Lognormal’, 'weibull' Căn vào kết kiểm tra sơ tập mẫu gồm 10.000 mẫu thống kê thu từ số đo thực nghiệm, mơ hình phân bố gamma chuyển dịch phân bố Pareto có sai số phân bố lý thuyết thực nghiệm nằm dải chấp nhận (trong vịng 10%) nên chọn làm mơ hình giả thuyết cạnh tranh để lựa chọn mơ hình phù hợp với IPTD mạng truyền tải lõi NGN Kết thực nghiệm cho thấy sai số đánh giá thống kê mơ hình gamma chuyển dịch có sai số phần lớn dải 3–7% Các nghiên cứu thực nghiệm tương tự thực mơ hình Pareto tổng quát cho kết sai số trung bình xấp xỉ 10% 3.2 XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ TRỄ GÓI IP QUA LIÊN MẠNG TRUYỀN TẢI NGN NHỜ TỔNG HỢP HÀM PHÂN BỐ Bài toán đặt xác định mơ hình tốn biểu diễn phân bố mối quan hệ phụ thuộc tham số IPTD tồn trình sở tổng hợp hàm phân bố IPTD mạng thành phần có từ kết ước lượng tham số trình bày - 13 - 3.2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp luận PDF biến tổng xác định từ PDF thành phần fi(t): (3.79) 3.2.2 Xác định phân bố trễ gói IP tồn trình từ thành phần phân bố gamma chuyển dịch (3.108) (3.112) (3.113) (3.114) ; (3.116) (3.117) (3.118) Nếu ký hiệu Γ’(k,θ,l) họ phân bố gamma chuyển dịch k, θ l tương ứng tham số định dạng, tỉ lệ định vị, thấy IPTD phân đoạn mạng (Di) thỏa mãn Di ~ Γ’(ki,θ,li)i[1,N] trễ tổng (D) thỏa mãn nghĩa thuộc họ phân bố, - 14 - đó, tham số định dạng định vị có thuộc tính tích lũy tổng tham số phân bố phân đoạn mạng thành phần Về mối quan hệ mô-men bậc thấp phân bố tổng tham số phân bố thành phần: độ lệch phân bố tổng phụ thuộc vào giá trị tham số định dạng phân bố thành phần, phương sai phụ thuộc vào giá trị tham số định dạng tham số tỉ lệ, giá trị kỳ vọng phụ thuộc vào ba tham số định dạng, tỉ lệ định vị Trong trường hợp tham số định dạng số nguyên, phân bố gamma chuyển dịch suy biến thành phân bố Erlang chuyển dịch Có thể thấy Γ’(1,θ,l) phân bố mũ chuyển dịch với tham số =1/θ, Γ’(v/2,2,l)~2(v,l) phân bố chi-squared chuyển dịch có v bậc tự 3.2.3 Xác định phân bố trễ gói IP tồn trình từ thành phần phân bố Pareto tổng quát Xét trường hợp gói IP truyền tải qua mạng bao gồm N mạng thành phần (phân đoạn mạng nút mạng) N-1 kết nối mạng thành phần Giả thiết IPTD kết nối thứ i[1,N-1] giá trị xác định di, PDF CDF: (3.126) Giả thiết IPTD mạng thành phần thứ i[1,N] có phân bố Pareto tổng quát với PDF CDF tương ứng sau: (3.127) (3.128) đó: tham số định dạng, ci tham số tỉ lệ, li tham số định vị, với miền phân bố trễ phân đoạn mạng thứ i: - 15 - (3.129) (3.140) (3.141) (3.136) (3.139)  (3.142)  Nếu ký hiệu P(k,θ,l) họ phân bố Pareto tổng quát k, θ l tương ứng tham số định dạng, tỉ lệ định vị, thấy IPTD phân đoạn mạng (Di) thỏa mãn Di ~ P(ki,θ,li)|i[1,N] IPTD kết nối phân đoạn mạng đại lượng xác định di|i[1,N-1] trễ tổng (D) thỏa mãn: , (3.149) đó, tham số định vị có thuộc tính tích lũy từ tham số định vị phân đoạn mạng thành phần trễ xác định kết - 16 - nối chúng, nghịch đảo tham số định dạng có thuộc tính tích lũy từ nghịch đảo tham số định dạng thành phần, tham số tỉ lệ phụ thuộc vào tham số định dạng tỉ lệ thành phần Về mối quan hệ mô-men bậc thấp phân bố tổng tham số phân bố thành phần: phương sai phụ thuộc vào giả trị tham số định dạng giá trị tham số tỉ lệ, trung bình thống kê phụ thuộc vào ba tham số định dạng, tỉ lệ định vị 3.2.4 Xác định phân bố trễ gói IP tồn trình từ thành phần hỗn hợp phân bố Parato tổng qt Trong số mơ hình hỗn hợp phân bố đều, gamma Pereto tổng quát, chứng minh mơ hình hỗn hợp phân bố Pareto tổng quát biểu diễn tường minh toán học Xét IPTD qua N phân đoạn mạng có phân bố P phân đoạn mạng có phân bố Pareto tổng quát, kết có sau: (3.151) = (3.156) - 17 - | ki