Đề xuất hệ số đánh giá cân bằng băng thông mạng

Trong các ví dụ trên, α, γ đều được đặt bằng 1 để dễ tính toán. Trên thực tế, thì cần tính toán chi tiết trên cơ sở số liệu cụ thể. Trong đó, α j là hệ số yêu cầu băng thông nút j[r]

PHƯƠNG PHÁP TẠO THÔNG TIN PHỤ TRỢ CHO MÃ HÓA VIDEO PHÂN TÁN

ĐỀ XUẤT HỆ SỐ ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG BĂNG THÔNG MẠNG Trần Minh Anh, Phạm Đình Chung, Nguyễn Chiến Trinh

Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng

hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng, khả mạng việc đáp ứng nhu cầu người sử dụng thiết thực

Hình Biểu đồ dự báo tăng trưởng lưu lượng thông tin đến 2019 - Nguồn [1]

Bên cạnh đó, việc nâng cấp mạng, tăng cường dung lượng, gia tăng kết nối nút mạng vấn đề cần giải nhà quản lý đưa định đầu tư nhằm tối đa hóa lợi nhuận, tối thiểu chi phí Do đó, bên cạnh việc nghiên cứu đưa vào thực tế công nghệ mới, giải pháp qui hoạch mạng (tương ứng với thiết bị dự định đầu tư), việc đưa phương thức đánh giá mạng, đảm bảo băng thông tham số QoS thách thức đồng thời nhiệm vụ cần đặt

Đã có nhiều dự án nhiều phương pháp đề xuất để đánh giá tính tối ưu, hiệu quả, đáp ứng chất lượng dịch vụ cho nhu cầu người dùng mạng Một số nghiên cứu [2-6] đề cập đến việc xây dựng số đánh giá mạng, liên mạng, mạng không dây định hướng đánh giá mạng mang tính chung Tuy vậy, tùy vào hoàn cảnh mục tiêu cần có thơng số đánh giá phù hợp

Tóm tắt: Việc tối ưu hóa băng thơng mạng ln vấn đề mà nhà khai thác, quản lý mạng quan tâm nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư đảm bảo tốt việc đáp ứng nhu cầu khách hàng Trong bối cảnh việc tăng trưởng sử dụng băng thông giới diễn với tốc độ nhanh nay, việc tối ưu băng thơng mạng đặt thách thức Trên sở nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa băng thơng việc tính tốn cân băng thơng mạng, báo đề xuất phương thức đánh giá sử dụng băng thông mạng giải pháp giúp cho việc đầu tư, tối ưu khai thác mạng viễn thơng hiệu

Từ khóa: BBM, băng thông, hiệu mạng, cân tải1

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong xu phát triển mạnh mẽ kinh tế tri thức, kinh tế thông tin nay, nhu cầu trao đổi thông tin thời đại công nghệ điều kiện sống hoạt động điều kiện để phát triển kinh tế xã hội phát triển dịch vụ viễn thông Theo nghiên cứu Cisco [1], lưu lượng thông tin mạng Internet năm 2019 năm bùng nổ nhanh chóng, với tốc độ tăng trưởng tổng hợp hàng năm đạt 23%/năm biểu đồ dự báo hình Việc tăng trưởng nhu cầu liệu dẫn đến việc nhà cung cấp mạng phải đối mặt với việc đảm bảo chất lượng cho người sử dụng Hơn nữa, với yêu cầu phát triển lên mạng hệ mới, số lượng nút mạng, lưu lượng thơng tin cao, việc tìm thơng số nhanh chóng đánh giá Tác giả liên hệ: Trần Minh Anh

Email: anhtm.dng@vnpt.vn

Đối với mạng viễn thông phát triển nhanh nay, đặc biệt bối cảnh nhà mạng phải cam kết đảm bảo chất lượng đường truyền, chất lượng dịch vụ với khách hàng, cần có thông số đánh giá sát với thực tiễn, giúp nhà khai thác nhanh chóng đưa định phát triển mạng Trong đó, việc đánh giá độ ổn định, cân hay tối ưu mạng khía cạnh cần nhấn mạnh Với hệ thống mạng phức tạp, cần đánh giá, so sánh cụ thể nhiều phương án thiết kế, việc đưa hệ số, tạm gọi hệ số đánh giá cân băng thông mạng giúp định hướng cho việc định chọn phương án tốt phương án đưa

Đóng góp báo đề xuất hệ số đánh giá mạng với mục tiêu Các kết kiểm chứng thông qua số liệu mô ứng dụng hệ số đề xuất số mơ hình mạng cụ thể

II NHU CẦU THỰC TẾ VÀ ĐỀ XUẤT HỆ SỐ ĐÁNH GIÁ

A Một số yêu cầu thực tế cần đảm bảo đánh giá cân băng thông mạng

Hiện nay, việc mở rộng, nâng cấp mạng trở nên thường xuyên hơn, nhu cầu thông tin xã hội tăng đột biến [7, 8] Các nhu cầu xã hội tăng cao dẫn đến việc đáp ứng chất lượng dịch vụ cho người dùng trở nên khó khăn phức tạp nhiều Việc đáp ứng băng thông, chất lượng đường truyền độ trễ (Delay), biến thiên trễ (Jitter), gói (Packet Loss) trở nên khắt khe với dịch vụ trực tuyến, dịch vụ thời gian thực truyền hình số, truyền hình theo yêu cầu, truyền hình tương tác dịch vụ bán vé qua mạng, trò chơi trực tuyến

Giải pháp đảm bảo QoS phổ biến cam kết nhà mạng tốc độ (băng thông) tối thiểu cho đường truyền khách hàng (thuê bao), tức cam kết gói cước nhà cung cấp dịch vụ người dùng Tất nhiên, băng thông dồi dào, lượng th bao khơng q lớn, việc cam kết băng thơng dễ dàng qua đó, chất lượng đường truyền tốt đáp ứng tốt

các tiêu chí khác QoS độ trễ, gói Nhưng có hạn chế băng thơng, rõ ràng việc kết nối mạng phải theo nguyên tắc thiếu phải bổ sung, thêm kết nối, tăng dung lượng nhằm đảm bảo cam kết với người dùng đăng ký sử dụng dịch vụ Ngồi ra, cam kết thơng số QoS khác với băng thơng trễ, jitter, gói chuyển đổi sang băng thơng số trường hợp phân tích [9] Vậy vấn đề đặt nâng cấp nào, chỗ nào, tiêu chí để đánh giá việc nâng cấp này, tối ưu việc nâng cấp Đồng thời, cần xây dựng mạng mới, dựa vào đâu để đánh giá tính tối ưu, tính hiệu mạng thiết kế Trên sở đó, báo đề xuất hệ số đánh giá liên quan đến đảm bảo băng thông cho khách hàng trường hợp cụ thể, từ hỗ trợ đưa lựa chọn, phương án hiệu

B Đề xuất hệ số đánh giá liên quan đến cân băng thơng mạng

Để đạt tính tối ưu băng thơng mạng cho trước, việc chênh lệch băng thông sử dụng đường liên kết (Link) mạng xem nhỏ Để có giá trị nhỏ đó, cần tìm hệ số biểu diễn giá trị chênh lệch băng thơng tồn cục mạng xét, hàm số tất giá trị băng thông đường liên kết, hệ số sử dụng, hệ số ưu tiên theo nút mạng yêu cầu băng thông tất nút xét mạng Gọi mạng xét G(N, L) với N nút mạng

L đường kết nối thực tế (có giá trị băng thông tương ứng hai nút mạng liền kề a b Lab) mạng G Nếu hai nút a b khơng có kết nối trực tiếp, Lab= Tương ứng với nút mạng yêu cầu băng thông nút đó, ký hiệu Ni, i = {1,N}

Lập ma trận Md, với số d ij

M xác định sau:

ĐỀ XUẤT HỆ SỐ ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG BĂNG THƠNG MẠNG

Vd(1 v) gồm có v đường kết nối hai nút có số hop không vượt (minhopij+ d) Các đường kết nối hiểu đường nối khơng có nút lặp, minhop ≥ 1, ≤ d≤(N ‒ 2)

Với đường kết nối d k

V , k = {1,v}, gọi minBd

k

là giá trị băng thông bé đường liên kết cấu thành d

k

V Giá trị d ij

M giá trị lớn minBd

k xét tập Vd, với độ sâu d

Nghĩa là: minBd

k = min(Lih1,Lh1h2, Lhsj) (1) với đường nối thứ k tập Vd gồm nút i, h1, h2 hs, j ≤ s ≤ (minhopij + d ‒ 2); s = nút i j nối trực tiếp

d ij

M = max(minBd

k), với k={1,v} (2)

Để đơn giản hóa, d ij

M là giá trị băng thơng nhỏ đường kết nối tốt hai nút mạng i j (trong trường hợp xem bỏ qua độ trễ truyền dẫn trễ hàng đợi) đường nối có số hop khơng vượt q (minhopij+d)

Áp dụng thuật toán Dijkstra [10], ta dễ dàng tìm giá trị minhop và giá trị thường ứng dụng thuật tốn tìm đường, giao thức định tuyến Với giá trị độ sâu d, tăng d số lượng đường kết nối để so sánh tìm d

ij M lớn Trong khuôn khổ báo này, ta lựa chọn d = (chính tập đường ngắn nhất) d = (N - 2) (gọi giá trị tối đa) để minh họa trường hợp cụ thể

Ta có ma trận Mdnhư sau: d

ij

M N Pj aj γj

1 M21d MN1d

1 N d i i M =

∑ a1 γ1

2 d

12

M MN2d

1 N d i i M =

∑ a2 γ2

N M1Nd d

2N

M

1

N d iN i= M

∑ aN γN

Gọi:

m: giá trị trung bình băng thơng khả dụng theo số nút

B: Trung bình băng thơng tồn mạng (bằng tổng băng thông chia tổng link)

b: Giá trị trung bình băng thơng khả dụng theo số kết nối

Pj: Tổng giá trị băng thông khả dụng nút Khi Pj tổng d

ij

M , với i, tức : N d j ij i P M =

=∑ (3)

1

N j i j j P m N g = ∞ = ∑ (4) 1 N N

i j Lij

B

L

= =

=∑ ∑ (5)

1

2

( )

N

j j j jP

b N N g = ∞ = −

∑ (6)

Với αj, γj hệ số ưu tiên cho nút thứ j, liên quan đến mức độ sử dụng khả phát triển mạng Trong mạng có mức độ ưu tiên nút hệ số αj, γj

Với định nghĩa trên, ta thấy độ chênh lệnh sử dụng băng thơng qua tồn mạng, tương ứng với trung bình quân phương tổng băng thông khả dụng theo nút Pj

Để áp dụng cho mạng thực tế, với hệ số ưu tiên nút mạng αj, γj, ta đề xuất hệ số BBM (Balanced Bandwidth Metric) tính cơng thức sau:

2 N

j j j

N j 1

j j j j

γP γP

N B

b(N 1) N

= =         ∝    ∝ −               = − − ∑ ∑ BBM (7) BBM viết gọn lại sau:

Mạng có N = nút L = đường nối thực tế với giá trị băng thông kèm Giả sử nút mạng có mức ưu tiên αj, γj giá trị định tuyến, độ trễ Giao thức định tuyến theo kiểu chọn đường có băng thơng rộng từ nguồn đến đích (tương ứng với trường hợp d = N ‒ 2)

Lập ma trận băng thông kết nối, cụ thể:

Bảng I Ma trận kết nối 1

d ij

M Pj BBM

0 10 10 10 38

3,02

1 3 3 15

2 10 11 20 11 55

3 11 11 11 41

4 10 20 11 11 55

5 10 11 11 11 46

Theo cơng thức tính (8) mạng có BBM = 3,02 Có nghĩa là, hệ số băng thơng cân đạt mức 3,02, chứng tỏ nhiều nút mạng chịu tải có mức băng thơng cao thấp nhiều so với mức trung bình

Giả sử ta đổi kết nối 2-3 thành 1-3 Mạng lúc là:

Hình Mạng giả định 2

Lập ma trận băng thông kết nối, cụ thể bảng II: Theo cơng thức tính (8) mạng có BBM = 2,14 Có nghĩa là, hệ số băng thông cân

( )

N

j j j

j γP m

B

b(N 1) N

=

 ∝ − 

 

 

=

− −

∑

BBM (8)

Các giá trị αj:

N i i j

j

N

á

N.N=

= ∑ (9)

Cịn giá trị γj tính tương ứng với dự kiến nhu cầu băng thông nút Phân tích cụ thể việc xác định giá trị ưu tiên γj nút đưa mục II.E.iii

Giá trị BBM thu (7) hay (8) nói lên mức độ cân tải băng thông qua mạng, so với mức băng thơng trung bình tồn mạng, từ thể mức độ tối ưu việc sử dụng nguồn lực mạng cho nhu cầu thực tế Giá trị BBM nhỏ tương ứng việc sử dụng băng thơng tồn mạng cao dĩ nhiên giá trị tốt BBM = 0, mạng gọi cân băng thơng tồn mạng

Với cách tính trên, rõ ràng, hệ số BBM áp dụng cho hệ thống mạng phức tạp hệ thống mạng có đường liên kết có băng thơng khác nhau, hay nút mạng có tốc độ tương tự chưa đảm bảo cung cấp lượng băng thông với khách hàng

Để làm rõ việc ứng dụng BBM vào mạng thực tế, xét ví dụ với hai trường hợp d = d = N ‒ Giả định với mạng sau:

ĐỀ XUẤT HỆ SỐ ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG BĂNG THƠNG MẠNG đạt mức 2,14 < 3,02 so với mơ hình đầu, với giá trị trung bình băng thơng khả dụng theo số kết nối b 9,33M Rõ ràng, so với mơ hình đầu, với việc thay đổi kết nối (hồn tồn nhau) khả đáp ứng mạng sau tốt trước Và rõ ràng, số BBM phản ánh rõ điều

Bảng II Ma trận kết nối 2

d ij

M Pj BBM

0 10 10 10 10 45

2,14

1 5 5 25

2 10 11 20 11 57

3 10 11 11 11 48

4 10 20 11 11 57

5 10 11 11 11 48

C Tính tốn hệ số BBM có quan tâm đến số lượng hop đường truyền

Trong thực tế, việc sử dụng thuật tốn tìm đường ngắn sử dụng thường xuyên giao thức Internet nay, để định tuyến với việc chọn đường có số chặng (hop) nhỏ nhất, tương ứng với trường hợp d = bước chờ nút nhỏ Với cách tính với mơ hình mạng xét phần 2.2 trên, ta có hệ số BBM cụ thể sau:

Với mơ hình đầu ma trận kết nối là:

Bảng III Ma trận kết nối 3

d ij

M Pj BBM

0 2(1) 10(1) 5(2) 6(1) 10(2) 33

3,15

1 2(1) 3(1) 3(2) 3(2) 3(2) 14

2 10(1) 3(1) 5(1) 20(1) 11(1) 49

3 5(2) 3(2) 5(1) 5(2) 11(1) 29

4 6(1) 3(2) 20(1) 5(2) 11(2) 45

5 10(2) 3(2) 11(1) 11(1) 11(2) 46

(chỉ số ngoặc số hop bé nhất)

Và hệ số BBM sau đổi kết nối 2-3 thành 1-3 là:

Bảng IV Ma trận kết nối 4

d ij

M Pj BBM

0 2(1) 10(1) 2(2) 6(1) 10(2) 30

2,97

1 2(1) 3(1) 5(1) 3(2) 5(2) 18

2 10(1) 3(1) 11(2) 20(1) 11(1) 55

3 2(2) 5(1) 11(2) 11(3) 11(1) 40

4 6(1) 3(2) 20(1) 11(3) 11(2) 51

5 10(2) 5(2) 11(1) 11(3) 11(2) 48

Kết tương đối giống trường hợp trên, nhiên với cách tính d = hệ số BBM cao hơn, chứng tỏ việc ứng dụng định tuyến đường ngắn yêu cầu cân băng thông cao Tóm lại, việc áp dụng hệ số BBM để đánh giá thấy rõ ràng việc nâng cấp, thay đổi cấu hình mạng đem lại ý nghĩa với việc đảm bảo băng thông cho người dùng

D Ảnh hưởng việc sử dụng hệ số α, γ Như giới thiệu mục II.B, α, γ hệ số đánh giá mức độ quan trọng nút mạng mạng cho Vì thực tế, nút mạng bố trí khu vực phải chịu tải tương ứng với nhu cầu khu vực đó, đó, mức u cầu cao mức độ quan trọng cao

α: hệ số đánh giá mức độ yêu cầu băng thông nút so với trung bình tồn mạng

γ: hệ số ưu tiên khu vực Đây hệ số mang tính tương lai Nếu nút cho có khả chịu tải cao tương lai có giá trị cao ngược lại

E Ví dụ cho việc ứng dụng thơng số BBM α, γ việc tính tốn mạng

1) Xét trường hợp nút có độ ưu tiên

(γ = 1)

Xét mạng viễn thông khu vực gồm nút mạng, với dung lượng băng thông hướng, lượng thuê bao thực tế nút chịu tải, tương ứng hệ số α nút Các nút có độ ưu tiên γ (như hình 4)

Hình Mạng khu vực điển hình

Vấn đề đặt hai chọn lựa kết nối - - 4, nên chọn cách tốt Ta xét ma trận kết nối (chọn đường ngắn nhất) có kết nối - Lập ma trận băng thông kết nối có kết nối - 7, cụ thể:

Bảng V Ma trận kết nối 5

d ij

M Pj αj

0 2 1 2 12 3.07

1 1 1 12 3.07

2 10 10 4 35 0.57

3 2 10 10 2 2 32 0.73

4 10 4 2 27 0.37

5 1 4 18 3.07

6 2 1 14 1.92

7 2 2 1 13 0.85

8 2 2 2 14 2.19

Và ma trận có kết nối - :

Bảng VI Ma trận kết nối 6

d ij

M Pj αj BBM

0 2 1 2 12 3.07

2.55

1 1 2 14 3.07

2 10 10 2 33 0.57

3 2 10 4 2 28 0.73

4 10 4 2 27 0.37

5 1 4 18 3.07

6 2 1 15 1.92

7 2 2 1 13 0.85

8 2 2 2 14 2.19

Từ hệ số BBM ví dụ nói trên, rút số nhận xét:

1 Sự khác biệt hai giải pháp kết nối không lớn, thể qua hệ số BBM 2,37 2,55; Các hệ số BBM lớn so với 0, chứng tỏ

tại có bất cân mạng này;

3 Khi chọn lựa bổ sung đường truyền dẫn, cách kết nối nút (2-7) tốt so với cách sau

Mạng có nút, nên dễ dàng ước lượng đưa lựa chọn đem lại hiệu sử dụng mạng tốt Tuy nhiên, mạng khu vực có nhiều nút mạng hàng triệu thuê bao trở lên cần thiết phải di dời, thay đổi, bổ sung hàng loạt nút mạng, đường truyền, việc tính tốn, ước lượng trở nên khó khăn nhiều không hiệu Đồng thời việc tính tốn giúp tiết kiệm đường truyền khơng hiệu quả, có định đầu tư tốt

ĐỀ XUẤT HỆ SỐ ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG BĂNG THƠNG MẠNG Ví dụ: Tại nút Quận X có lượng chịu tải T, hệ số α a, tương ứng với số thuê bao (hay yêu cầu băng thông) nút Tb Tuy nhiên dự báo, tỷ lệ băng thông yêu cầu (tương ứng với số thuê bao dự kiến) hệ số b Vậy hệ số γ

b/a Từ đó, tính BBM tồn mạng theo hệ số α, γ Tại nút số ưu tiên áp dụng

3) Ứng dụng việc định đầu tư

Do BBM hệ số đánh giá mạng sau tính tốn, dự tính dung lượng đường truyền nên BBM giúp cho biết với cách tính đó, tính hiệu đạt Để ứng dụng thực tế, cần dự trù trước với mạng cụ thể A, bổ sung đường truyền tính cân cách bố trí hợp lý (so với khả đầu tư) Vì thế, hệ số BBM xem giải pháp giúp cho việc đánh giá cân băng thông mạng từ giúp đưa định đầu tư cuối

III MÔ PHỎNG SỬ DỤNG HỆ SỐ BBM

Để kết luận mạng có hệ số BBM thấp có chất lượng truyền dẫn độ trễ đầu cuối-đầu cuối tốt hơn, ta xét mạng tương ứng với ví dụ thực tế phần 2.5.1, hình

Sử dụng phần mềm OpNet RiverBed Modeler 17.5, mơ mạng có nút định tuyến ví dụ (giả định có độ ưu tiên nhau, tương ứng với mức nhu cầu băng thơng nhau), nút ta đặt số máy trạm để dễ theo dõi

Tốc độ giả lập máy trạm là: 10Kbytes/0,5ms, tương ứng với mức 10.000 (byte/ packet)* (bit/byte) * (1/0,0005)=160Mb/s Dung lượng toàn mạng (45 máy trạm) 7,2 Gb/s Để so sánh kết mô phỏng, ta lập mối liên kết SW3-SW4

Các thông số so sánh bao gồm:

- Global statistics: Delay Ethernet, Traffic Received (bit/s), End-End Delay

- Node Statistics: Delay Ethernet, Traffic Received (bit/s), Load (bit/s)

Mạng mơ hình

Hình Mạng mơ 1

Sau nhân hoạt cảnh trên, xóa bỏ nối kết SW3-SW4, thay vào liên kết SW2-SW7 hoàn toàn tương tự mối liên kết vừa xóa, ta có mạng mơ thứ hình

Việc thiết lập giao thức, tham số tương ứng cho hai hoạt cảnh thực trước nhân hoạt cảnh ứng dụng hoàn toàn so sánh kết mơ

Hình Mạng mơ 2

Q trình mơ cho ta kết sau: 1) Thơng số trễ tồn mạng