Nghiên cứu phương thức điều khiển chất lượng dịch vụ trong mạng thế hệ sau

MỤC LỤC MỤC LỤC i MỤC LỤC HÌNH .iii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .v LỜI NÓI ĐẦU .1 CHƯƠNG 1 3 CẤU TRÚC NGN .3 1.1.Sự cần thiết phải chuyển đổi công nghệ mạng 3 1.2. Mô hình tham khảo của một số hãng và tổ chức quốc tế .7 1.2.1. Mô hình NGN của Alcatel .7 1.2.2. Mô hình NGN của Ericsson .8 1.2.3. Mô hình NGN của Siemens .10 1.2.4. Xu hướng phát triển NGN của NEC .12 1.2.5. Xu hướng phát triển NGN của Lucent 12 1.2.6. Mô hình của ITU .13 1.2.7. Một số hướng nghiên cứu của IETF 14 1.2.8. Mô hình của MSF 15 1.2.9. Mô hình NGN của ETSI 17 1.3. Nguyên tắc tổ chức NGN Việt Nam .19 1.3.1. Nguyên tắc chung 19 1.3.1.1. Công nghệ .19 1.3.1.2. Tổ chức mạng .20 1.3.2. Mô hình chức năng NGN Việt Nam 22 1.3.2.1. Lớp ứng dụng và dịch vụ mạng 22 1.3.2.2. Lớp điều khiển 22 1.3.2.3. Lớp chuyển tải 22 1.3.2.4. Lớp truy nhập .23 1.3.3. Nguyên tắc tổ chức mạng viễn thông VNPT .23 1.3.3.1. Tổ chức lớp ứng dụng và dịch vụ .23 1.3.3.2. Tổ chức lớp điều khiển .23 1.3.3.3. Tổ chức lớp chuyển tải .24 1.3.3.4. Tổ chức lớp truy nhập .25 1.3.4. Kết nối NGN với mạng khác .25 1.3.4.1. Kết nối với mạng PSTN .25 1.3.4.2. Kết nối với mạng Internet .26 1.4. Lộ trình chuyển đổi mạng viễn thông Việt Nam đến 2010 27 1.4.1. Nguyên tắc thực hiện .27 1.4.2. Lộ trình chuyển đổi 27 1.4.2.1. Giai đoạn 2001 – 2005 27 1.4.2.1. Giai đoạn 2006 – 2010 30 CHƯƠNG 2 33 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG NGN .33 2.1. Khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS) 33 2.2. Các thông số kỹ thuật của QoS .34 2.2.1. Băng thông .36 Bùi Thuỳ Dương – D01VT i 2.2.2. Trễ 37 2.2.3. Jitter .38 2.2.4. Mất thông tin .39 2.2.5. Độ khả dụng 40 2.2.6. Bảo mật 42 2.3. QoS trong NGN 42 2.3.1. Các lớp QoS từ đầu cuối tới đầu cuối 42 2.3.2. Chất lượng dịch vụ trong NGN .43 2.4. Một số hạn chế của mạng IP hiện nay .46 CHƯƠNG 3 48 MỘT SỐ PHƯƠNG THỨC HỖ TRỢ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG NGN .48 3.1. Một số kỹ thuật hỗ trợ QoS trong NGN .48 3.1.1. Kiến trúc chung của router 48 3.1.2. Phân loại gói tin .52 3.1.2.1. Khoá và quy tắc 52 3.1.2.2. Trường ToS của IPv4 và TC của IPv6 .53 3.1.2.3. Trường dịch vụ khác biệt (DiffServ) 53 3.1.2.4. Phân loại đa đường .54 3.1.3. Kiểm soát và đánh dấu .57 3.1.3.1. Phương pháp đo 58 3.1.3.2. Tầng hồ sơ 60 3.1.4. Quản lý hàng đợi .61 3.1.4.1. Tránh sắp xếp lại .62 3.1.4.2. Làm giảm độ chiếm dụng hàng đợi 63 3.1.4.3. Phát hiện sớm ngẫu nhiên .65 3.1.5. Lập lịch 70 3.1.5.1. Định hướng tốc độ 71 3.1.5.2. Lập lịch đơn giản 73 3.1.5.3. Lập lịch thích ứng .75 3.2. Một số mô hình và giao thức hỗ trợ QoS trong NGN 77 3.2.1. Giao thức dự trữ tài nguyên (RSVP) .77 3.2.2. Dịch vụ tích hợp (IntServ) .80 3.2.3. Dịch vụ DiffServ .83 3.2.4. Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 84 3.2.4.1. Khái niệm MPLS 84 3.2.4.2. Cách thức hoạt động của MPLS .85 3.2.4.3. Ứng dụng của MPLS 87 3.2.4.4. Chất lượng dịch vụ MPLS 88 3.2.4.5. Kỹ thuật lưu lượng trong MPLS 89 3.2.4.6. Các mục tiêu chất lượng của kỹ thuật lưu lượng (TE) .89 3.2.4.7. Quản lý lưu lượng MPLS .90 KẾT LUẬN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .93 Bùi Thuỳ Dương – D01VT ii MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ mạng viễn thông hiện nay .4 Hình 1.2: Sơ đồ mạng viễn thông tương lai 4 Hình 1.3: Sơ đồ các mạng dịch vụ khác 5 Hình 1.4: Sơ đồ lớp chức năng của mạng hiện nay .5 Hình 1.5: Sơ đồ lớp chức năng của mạng tương lai gần .6 Hình 1.6: Sơ đồ lớp chức năng của mạng tương lai .6 Hình 1.7: Mô hình mạng thế hệ sau của Alcatel 7 Hình 1.9: Cấu trúc mạng thế hệ sau của Siemens 11 Hình 1.10: Mô hình của NEC về NGN 12 Hình 1.11: Các chức năng GII và mối quan hệ của chúng .13 Hình 1.12: Cấu trúc chuyển mạch đa dịch vụ 15 Hình 1.13: Cấu trúc chức năng NGN theo ETSI 18 Hình 1.14: Cấu trúc NGN theo ETSI .19 Hình 1.15: Cấu trúc mạng mục tiêu .22 Hình 1.16: Lớp điều khiển và ứng dụng trong NGN .23 Hình 1.17: Lớp chuyển tải trong cấu trúc NGN 24 Hình 1.18: Lớp truy nhập trong NGN .25 Hình 1.19: Kết nối với mạng PSTN và GSM 26 Hình 1.20: Kết nối với mạng Internet 26 Hình 1.21: Sơ đồ mạng chuyển mạch Core lớp chuyển tải giai đoạn 2001-2005 .28 Hình 1.22: Mạng truy nhập giai đoạn 2001-2005 30 Hình 1.23: Mạng chuyển mạch ATM/IP Core giai đoạn 2006-2010 .31 Hình 1.24: Mạng truy nhập giai đoạn 2006-2010 .32 Hình 2.1: (a) Trễ và (b) băng thông trong mạng 36 Hình 2.2: Trễ trong quá trình truyền 37 Hình 2.3: Độ biến động trễ 38 Hình 2.4: Trễ và mất gói tin .39 Hình 2.5: Ba lớp QoS từ đầu cuối đến đầu cuối: Best-effort service, Differentiated service và Guaranteed service .43 Hình 2.6: QoS trong NGN .44 Hình 2.7: Kiến trúc QoS 45 Hình 3.1: Router IP nỗ lực tối đa .48 Hình 3.2: Nỗ lực tối đa, không có QoS .48 Hình 3.3 Sơ đồ chung của một router IP nỗ lực tối đa 49 Hình 3.4: Sắp xếp từng chặng điều khiển chặng kế tiếp, hàng đợi và lập lịch 51 Hình 3.5: Trường ToS của IPv4 53 Hình 3.6: Trường dịch vụ phân biệt DiffServ .54 Hình 3.7: Trường tiêu đề của gói tin IPv4 .55 Hình 3.8: Trường tiêu đề của gói tin IPv6 .56 Hình 3.9: Các thùng thẻ bài cung cấp một chức năng đo đạc đơn giản 58 Hình 3.10: Các thùng thẻ bài cho phép bùng nổ trên tốc độ trung bình 59 Hình 3.11: Trạng thái của gói chạy để chọn lựa hồ sơ và hoạt động 60 Hình 3.12: Hàng đợi riêng biệt cho các gói có thể đi đến việc sắp xếp lại 63 Hình 3.13: Khả năng loại bỏ gói biến đổi cùng với sự chiếm dụng hàng đợi .66 Bùi Thuỳ Dương – D01VT iii Hinh 3.14: Gói bị đánh dấu có thể thay đổi chức năng loại bỏ .67 Hình 3.15: Phát hiện sớm ngẫu nhiên thay đổi maxp 69 Hình 3.16: Yêu cầu định hướng thời gian lập lịch nhỏ nhất trên các hàng đợi 72 Hình 3.17: Nhiều hàng đợi cung cấp cho một bộ lâp lịch .74 Hình 3.18: Giao thức RVSP hỗ trợ QoS 78 Hình 3.19: Giao thức RSVP 79 Hình 3.20: Cơ chế làm việc của RSVP 79 Hình 3.21: Mô hình dịch vụ tích hợp .81 Hình 3.22: Mô hình IntServ sử dụng RSVP 82 Hình 3.23: Kiến trúc IntServ .82 Hình 3.24: Mô hình DiffServ tại biên và lõi của mạng .84 Hình 3.25: Định tuyến, chuyển mạch và chuyển tiếp 85 Hình 3.26: Đường nhanh và đường chậm .86 Hình 3.27: Lớp chèn MPLS .87 Hình 3.28: Các thiết bị và lưu lượng Internet 88 Bùi Thuỳ Dương – D01VT iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT API Application program Interface Giao diện chương trình ứng dụng ARED Adaptive Random Early Detection RED thích ứng ATM Asynchronuos Transfer Mode Phương thức truyền tải không đồng bộ CE Congestion Experienced Đã trải qua nghẽn CQS Classify, Queue, Schedule Phân loại. Hàng đợi, Lập lịch CU Currently Unused Hiện tại không sử dụng DFF Drop From Front Loại bỏ phía trược DiffServ Differentiated Service Dịch vụ khác biệt DRR Deficit Round Robin ECN Explicit Congestion Notification Khai báo nghẽn cụ thể ECT ECN Capable Transport Truyền dẫn có khả năng ECN EWMA Exponentially Weighted Moving Average FEC Forwarding Equivalence Classes Lớp tương đương chuyển tiếp FIB Forwarding Information Base Cơ sở thông tin chuyển tiếp FIFO First In First Out Vào đầu ra đầu FQ Fair Queuing FRED Flow Random Early Detection RED mức luồng GMPLS Generalized MPLS MPLS mở rộng IETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kĩ thuật Internet IntServ Integrated Service Dịch vụ tích hợp IP Internet Protocol Giao thức Internet IPv4 IP vesion 4 Mạng IP thế hệ thứ 4 IPv6 IP vesion 6 Mạng IP thế hệ thứ 6 ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet ITU_T International Telecommunication Union Tổ chức Viễn thông quốc tế LDP Label Distribution Protocol Giao thức phân phối nhãn LSP Label Switch Path Đường chuyển mạch nhãn LSR Label Switch Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn MF Multifeild Đa trường MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MTU Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền dẫn lớn nhất NGN Next Generation Network Mạng thé hệ tiếp theo Bùi Thuỳ Dương – D01VT v PDH Pre-synchronous Digital Hierarchy Hệ thống phân cấp kĩ thuật số cận đồng bộ POTS Plain Old Telephone Service Dịch vụ điện thoại cũ, đơn giản PSTN Public- switched Telephone Network Mạng điên thoại chuyển mạch công cộng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RED Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên RIO RED with an In/ Out bit RED cùng một bít Vào/ Ra RR Round Robin RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dự trữ tài nguyên RTT Round Trip Time Thời gian khứ hồi SDH Synchronous Digital Hierarchy Hệ thống phân cấp kĩ thuật số đồng bộ TC Traffic Class Lớp lưu lượng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDM Time Division Multiplexing Đa phân chia theo thời gian TE Traffic Engineering Kĩ thuật lưu lượng ToS Type of Service Loại dịch vụ UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu người sử dụng VNPT Viet Nam Post and Telecommunication Tổng công ty Bưu chính viễn thông Việt Nam VoIP Voice over IP Truyền thoại dựa trên nền IP VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo WDM Wavelenght Division Multiplexing Đa phân chia theo bước sóng WFQ Weighted FQ Trọng số FQ WRED Weighted Random Early Detection Trọng số RED xDSL x Digital Subscriber Line Họ đường dây thuê bao số Bùi Thuỳ Dương – D01VT vi Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Mạng thế hệ sau là một bước đi đột phá trong công nghệ mạng viễn thông, nó làm thay đổi hẳn về kiến trúc mạng cũng như dịch vụ của mạng Viễn thông hiện nay. NGN là một mạng hội tụ của tất cả các mạng viễn thông hiện nay, đó là: Sự hội tụ giữa mạng thoại và mạng truyền dữ liệu; giữa mạng cố định và mạng di động; hội tụ giữa truyền dẫn quang và công nghệ chuyển mạch gói. Với cấu trúc mạng hợp nhất như vậy, NGN truyền tải trên nó tất cả các dịch vụ như: Dịch vụ thoại, truyền số liệu, Internet, đa phương tiện… cũng như các dịch vụ gia tăng trong tương lai. Đặc biệt NGN còn là sự hợp nhất về dịch vụ (Unified Service), điều này được thể hiện khi khách hàng dùng một thiết bị đầu cuối có thể sử dụng được nhiều dịch vụ khác nhau của NGN như: Gọi điện thoại, truy nhập Internet, xem phim, hay truyền hình ảnh…. Mạng viễn thông của VNPT đã được số hoá hoàn toàn cả về truyền dẫn và chuyển mạch với các thiết bị công nghệ mới hiện đại trên phạm vi toàn quốc, cùng với mạng thuê bao rộng lớn và nhiều điểm cung cấp dịch vụ bưu chính viễn thông. Đây là một thuận lợi lớn trong quá trình phát triển tiến tới cấu trúc mạng thế hệ mới cung cấp đa dịch vụ, đa phương tiện, chất lượng cao. Tuy nhiên quá trình hoàn thiện mạng viễn thông của VNPT dựa trên nền tảng IP cũng gặp không ít khó khăn. Đầu tiên là với chủng loại thiết bị khá đa dạng thì việc tiến tới xây dựng phát triển và hoàn thiện NGN là một quá trình chuyển đổi phức tạp đòi hỏi sự lựa chọn công nghệ đúng đắn và tổ chức khai thác mạng hợp lý nhằm giữ vững vai trò chủ đạo của VNPT trong lĩnh vực viễn thông ở Việt Nam trước xu thế cạnh tranh và hội nhập. Thứ hai là “chất lượng dịch vụ” cũng là vấn đề quan trọng đặt ra đối với các nhà cung cấp và khai thác dịch vụ viến thông. QoS cần được cung cấp cho mỗi ứng dụng để người sử dụng có thể dùng ứng dụng đó và mức QoS mà ứng dụng đòi hỏi chỉ có thể được xác định bởi người sử dụng, vì chỉ có người sử dụng mới có thể biết chính xác mức QoS nào mà ứng dụng của mình cần đến. Nhà cung cấp dịch vụ đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho người sử dụng, thực hiện các biện pháp để duy trì mức QoS khi điều kiện mạng bị thay đổi vì các nguyên nhân như nghẽn, hỏng hóc thiết bị hay lỗi liên kết… Và có thể tiến tới một bước cao hơn đó là cung cấp nhiều mức QoS trên cùng một mạng tuỳ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng. Việc nghiên cứu nhằm nâng cao QoS trong NGN là rất cần thiết. Trước yêu cầu đó, Đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu phương thức điều khiển chất lượng dịch vụ trong mạng thế hệ sau” tìm hiểu một số phương pháp điều khiển chất lượng dịch vụ QoS trong NGN. Nhằm hỗ trợ cho các nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp mức QoS theo yêu cầu của khách hàng. Đồ án gồm 3 chương: Bùi Thuỳ Dương – D01VT 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu - Chương 1: Cấu trúc NGN: Tìm hiểu về một số mô hình tham khảo của các công ty cung cấp dịch vụ Viễn thông và một số tổ chức quốc tế. Xu hướng tiến lên NGN, cấu trúc mạng mục tiêu và lộ trình chuyển đổi của VNPT. - Chương 2: Chất lượng dịch vụ QoS trong NGN: Tìm hiểu về QoS chung. Các tham số của QoS và QoS trong NGN. - Chương 3: Một số phương thức hỗ trợ QoS trong NGN: Tìm hiểu về một số kĩ thuật hỗ trợ QoS như: Phân loại, kiểm soát và đánh dấu, Hàng đợi, Lập lịch và một số mô hình giao thức hỗ trợ QoS như: IntServ, DiffServ, RVSP, MPLS. Được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Ths Nguyễn văn Đát và các thầy cô giáo trong bộ môn Mạng viễn thông đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do sự hạn chế về mặt thời gian và kiến thức hiện tại em chưa thể nắm bắt được hết những thông tin mới nhất về công nghệ nên nội dung đồ án khó tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo cùng những người quan tâm để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ths Nguyễn văn Đát, các thầy cô giáo trong bộ môn Mạng viễn thông và trong Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian em học tập nghiên cứu tại học viện. Hà Nội ngày 27 tháng 10 năm 2005 Sinh viên thực hiện Bùi Thuỳ Dương Bùi Thuỳ Dương – D01VT 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Chất lượng dịch vụ trong NGN CHƯƠNG 1 CẤU TRÚC NGN 1.1. Sự cần thiết phải chuyển đổi công nghệ mạng Kỷ nguyên công nghệ thông tin, cùng với việc ứng dụng công nghệ truyền thông đa phương tiện và xu hướng toàn cầu hoá trong kinh doanh, đã tạo ra sức ép cạnh tranh ngày càng tăng trên thị trường công nghệ truyền tin. Đặt ra yêu cầu lớn đối với các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông phải liên tục cải tiến hệ thống để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của khách hàng. Công nghệ mạng hiện nay dựa trên công nghệ chuyển mạch kênh sử dụng dung lượng truyền dẫn có hiệu quả thấp. Do đó có thể kể ra một số hạn chế của mạng viễn thông Việt Nam hiện tại như sau: - Tách biệt giữa mạng thoại và mạng truyền số liệu. - Mạng có nhiều cấp gây phức tạp trong việc phối hợp hệ thống báo hiệu, đồng bộ và việc triển khai dịch vụ mới. - Phức tạp trong việc thiết lập Trung tâm quản lý mạng, hệ thống Billing, chăm sóc khách hàng. - Hệ thống có tính mở thấp dẫn đến thời gian đưa dịch vụ ra thị trường chậm. Ngoài các đặc điểm của mạng như đã nêu trên còn có một số yếu tố tác động đến mạng như sau: - Sự tăng trưởng của các dịch vụ data (Internet phát triển mạnh, nhu cầu về dịch vụ IP lớn, dịch vụ Frame Relay phát triển nhanh, xu thế tích hợp IP/ ATM cho mạng đường trục) - Sự phát triển và thay đổi công nghệ (khả năng xử lý của Chip tăng mạnh, công nghệ chuyển mạch gói và xDSL phát triển) - Nhu cầu sử dụng các dịch vụ mới tăng (dịch vụ thoại, data, video tương tác, E- Business, Internet Telephony, VoIP, VoATM, Home Shopping, Entertainment on demand, TV on Internet, Internet on TV, Teleworking, Telebanking, Tele- medicine, Web/ Phone link) - Yêu cầu cao của nhà khai thác và người sử dụng (kết nối đơn giản, truy nhập dịch vụ nhanh và tức thì, nhanh chóng đáp ứng yêu cầu dịch vụ, giá cả hợp lý, quản lý mạng đơn giản, bảo mật cao) - Sự hội tụ của viễn thông và tin học (tạo ra một mạng có hạ tầng thông tin duy nhất, dựa trên công nghệ chuyển mạch gói và tin học xử lý, triển khai các dịch vụ đa dạng và nhanh chóng, sự hội tụ giữa thoại và tin học, giữa cố định và di động, giữa vô tuyến và hữu tuyến, tích hợp công nghệ viễn thông và tin học). Bùi Thuỳ Dương – D01VT 3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2. Chất lượng dịch vụ trong NGN Do vậy với công nghệ hiện nay mạng viễn thông không thể đáp ứng được các yêu cầu kinh doanh trên. Thoại luôn là dịch vụ được xem xét đến hàng đầu trong quá trình phát triển mạng, do đó ta xem xét quá trình chuyển dịch thoại từ PSTN sang NGN: Mạng PSTN hiện tại: Hình 1.1: Sơ đồ mạng viễn thông hiện nay Phát triến lên NGN: Hình 1.2: Sơ đồ mạng viễn thông tương lai Bùi Thuỳ Dương – D01VT 4