3 Đảm bảo an ninh và tính sẵn sàng của dịch vụ đáp ứng QoS
2.20Kết quả thực nghiệm so sánh giữa các thuật toán trên nhiều lớp dịch vụ
PSO ACO-ĐVTN MMAS-ĐVTN
Số lớp Tốt nhất Trung bình Xấu nhất Tốt nhất Trung bình Xấu nhất Tốt nhất Trung bình Xấu nhất
8 100.53 99.17 97.39 100.53 99.79 98.28 100.53 100.29 99.78 10 125.21 122.24 120.16 125.21 123.97 121.08 125.21 124.24 121.26 12 153.63 151.21 150.27 156.26 154.07 151.06 156.26 154.79 153.10 16 210.68 207.97 204.20 216.26 214.62 212.98 221.74 219.69 218.88 20 256.11 252.00 249.55 256.63 253.28 251.67 255.68 253.55 252.16 24 315.37 311.90 309.16 319.89 316.72 313.86 327.37 324.03 317.16 28 417.58 415.10 411.33 419.32 417.79 414.45 420.32 418.83 417.24 32 512.68 510.36 508.51 513.47 511.28 509.41 513.47 511.72 510.76 36 652.95 649.31 648.29 653.21 651.07 650.84 654.32 652.28 649.57 40 751.53 748.03 747.22 760.16 757.38 755.35 757.63 755.24 752.20 70
2.3 Cấp phát tài nguyên cho các luồng đa phương tiện
Phân hệ con đa phương tiện (IMS) [38] là một cấu trúc dịch vụ mới trong mạng NGN do ETSI đề xuất cho phép hội tụ dữ liệu, thoại và công nghệ mạng mobile trên nền tảng IP sử dụng cùng một loại giao thức chuẩn cho cả các dịch vụ di động cũng như cố định. IMS được thiết kế dựa trên giao thức khởi tạo phiên (Session Initiation Protocol-SIP) cho phép truyền bất kì phương tiện truyền thông nào như thoại, video hay dữ liệu qua nhiều mạng. Hiện nay, IMS là sự lựa chọn tối ưu cho việc cung cấp dịch vụ hội tụ và đa phương tiện, cũng như cho phép cung cấp các dịch vụ IP trên cả mạng di động và cố định với QoS được đảm bảo với nhiều phương thức truy cập. Kiến trúc của IMS được chia thành 4 lớp bao gồm: dịch vụ, điều khiển, truyền tải và quản lý [38]. Trong đó, lớp dịch vụ gồm các máy chủ ứng dụng và nội dung để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng cho người sử dụng. Lớp điều khiển gồm các máy chủ điều khiển mạng để quản lý cuộc gọi hoặc thiết lập phiên, sửa đổi và giải phóng với chức năng quan trọng nhất là CSCF (Call Session Control Function). Lớp truyền tải gồm các bộ định tuyến và chuyển mạch cho mạng đường trục và mạng truy cập. Cuối cùng là lớp quản lý cung cấp các công cụ vận hành, khai thác và bảo dưỡng hệ thống. IMS quản lý QoS dựa trên chính sách sử dụng tài nguyên trên cả mức phiên và mức kênh mang cho phép nhà điều hành mạng đưa ra các quyết định cấp phát tài nguyên dựa trên chính sách ở mức cao mà không cản trở việc quản lý mạng truy nhập kết nối IP. Phần tử quan trọng trong nhất trong IMS là chức năng tài nguyên đa phương tiện (Media Resource Function-MRF). MRF điều khiển và kiểm soát bởi các yếu tố khác trong kiến trúc IMS, như các máy chủ ứng dụng hoặc chức năng kiểm soát trạng thái cuộc gọi (CSCF). SIP là giao thức chủ yếu để điều khiển thiết bị MRF trong kiến trúc IMS. Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi phục vụ (Serving CSCF) thực hiện kiểm soát phiên, điều khiển cuộc gọi cơ bản và thực thi chính sách trong IMS [49]. Trong các tiêu chuẩn 3GPP, MRF được xác định rõ để cung cấp các chức năng xử lý đa phương tiện IP thời gian thực như phát đa phương tiện, ghi, thu thập chữ số và trộn âm thanh/video dựa vào các luồng đa phương tiện IP. Đôi khi MRF được phân chia thành bộ xử lý chức năng tài nguyên đa phương tiện có vai trò kết cuối và xử lý các luồng đa phương tiện và bộ điều khiển chức năng tài nguyên đa phương tiện lựa chọn và điều khiển các MRFP [38, 49].
2.3.1 Mô hình bài toán
Mô hình chức năng tối ưu và so khớp QoS (Q-MOF) [56] sử dụng dịch vụ cung cấp tên miền cho phép phân tích, đánh giá yêu cầu của các dịch vụ nhằm tăng cường hỗ trợ QoS tốt hơn cho người dùng. Khi đó, nhà cung cấp có thể bố sung thêm các phương tiện để kiểm soát, phân tích, đánh giá để đưa ra chiến lược cấp phát tài nguyên phù hợp với nhu cầu QoS trong từng dịch vụ đa phương tiện cụ thể của người dùng. Điều này mang lại lợi ích rất lớn cho nhà cung cấp vì tối
ưu được khả năng đáp ứng yêu cầu của người dùng theo SLA dựa trên phân bổ tài nguyên một cách hợp lý. Các bên cung cấp dịch vụ sẽ đặc tả thông tin về trạng thái yêu cầu dịch vụ và các tùy chọn phức tạp về QoS cho mỗi dịch vụ. Hình 2.18
mô tả vị trí của chức năng Q-MOF trong mạng NGN cùng mức với chức năng cung cấp dịch vụ và ứng dụng đồng thời tương tác trực tiếp với lớp IMS lõi [56, 57].
Hình 2.18: Q-MOF trong kiến trúc mạng NGN
Chức năng của Q-MOF được thể hiện trong Hình2.19với 2 thành phần chính là quá trình so khớp (Matching process) và bộ máy tối ưu (Optimization Engine).
Hình 2.19: Các thành phần chức năng của Q-MOF
Đầu tiên các yêu cầu về dịch vụ được phân tách thành dữ liệu vào với các tham số biến đổi như dung lượng, tài nguyên, chi phí và chính sách...Các dữ liệu này được tập hợp lại và chuyển đến quá trình so khớp để xác định tập các dịch vụ và tham số sẽ được đáp ứng trong danh sách các dịch vụ khả thi (Feasible Service Profile-FSP). Thông tin về các dịch vụ này được lưu lại trong SLA đầu cuối với người dùng. Người dùng có thể chấp nhận, từ chối hay thay đổi các tham số sau khi nhận được các tài nguyên. Quá trình đánh giá, cân đối và thỏa hiệp các tham
số của dịch vụ được thực thi ở bộ máy tối ưu. Tại đây, hệ thống sẽ tính toán các cấu hình dịch vụ tối ưu và cấp phát tài nguyên cho các luồng đa phương tiện dựa vào lợi nhuận và lưu lại trong profile thỏa thuận sử dụng dịch vụ (Agreed Service Profile-ASP) theo thứ tự ưu tiên.
Việc lựa chọn gọi đến tiến trình so khớp hay tối ưu phụ thuộc vào chức năng truyền tín hiệu logic (Signaling logic function). Thuật toán so khớp và tối ưu được khai báo độc lập với các thành phần dịch vụ. Tùy theo sự khác nhau về mức độ QoS được yêu cầu bởi các dịch vụ sẽ quyết định đến độ phức tạp của các thuật toán được sử dụng. Mục tiêu của thuật toán so khớp là phân tích yêu cầu dữ liệu vào nhằm đáp ứng tối đa nhu cầu người dùng thỏa mãn các ràng buộc về chất lượng trên từng dịch vụ dựa trên tập các tham số dịch vụ. Gọi (p1, ...,pk) là tập các tham số cần đáp ứng cho mỗi dịch vụ được sử dụng, việc xác định giá trị cho các tham số này được thực hiện qua chức năng định danh so khớp nội dung (Matching Context Identification Function-MCIF). Tập các tham số yêu cầu dịch vụ đươc đáp ứng dựa trên các luật có dạng: if <p_i==p> then <Hành động>; để tối ưu phân bố theo ràng buộc tài nguyên cho đa luồng dịch vụ. Chúng ta giả sử rằng các dịch vụ đa phương tiện trong một phiên kết nối có thể đáp ứng bởi ít nhất một hoặc nhiều khả năng khác nhau với tài nguyên của mạng. Sự khác nhau giữa các khả năng đáp ứng được đặc tả quả các yêu cầu về từng thành phần đa phương tiện (media flows). Mỗi thành phần đa phương tiện được đặc tả bằng các tham số hoạt động yêu cầu cụ thể như: tốc độ truyền frame, độ phân giải, sự khác biệt về codec... [56, 57, 60, 74].
Để mô hình hóa bài toán, chúng ta qui ước ý nghĩa của các ký hiệu được sử dụng trong Bảng 2.21.
Bảng 2.21: Các ký hiệu dùng trong tối ưu QoS cho các luồng đa phương tiện
Ký hiệu Ý nghĩa
F= (f1, ...,fn) Tập các luồng đa phương tiện (n là số luồng)
(f1, ...,fh) Tập các luồng theo hướngDownlink
(fh+1, ...,fn) Tập các luồng theo hướngUplink
wi Trọng số mô tả sự quan trọng của luồngfi,∀i= 1..n p= (p1, ...,pk) Tập các hành động (operating points) của các luồng
pi Hành động của luồngfi,∀i= 1..n
rij = (rij1, ...,rijq, ...,rijm) Tập các tài nguyên yêu cầur của hoạt độngpj và luồngfi R= (Rq+1, ...,Rm) Lượng tài nguyên giới hạn đối với tất cả các yêu cầu
Ri = (Ri1, ...,Rim) Lượng tài nguyên tiêu thụ đối với mỗi luồngfi
Bdownlink Băng thông tối đa dành cho Download
Buplink Băng thông tối đa dành cho Upload
ui(rij) Giá trị hữu dụng đối với điểm hoạt độngpj và luồngfi
Trong đó,(rij1, ...,rijq)tương ứng là giá trị băng thông trong những lớp QoS khác nhau (như độ trễ, tỷ lệ mất gói, jitter, băng thông yêu cầu...). Với mỗi điểm hoạt động, chúng ta giả sử rằng chỉ có một giá trị(rij1, ...,rijq)lớn hơn 0 còn lại là
bằng 0. Bởi vì, chỉ có một lớp QoS được chọn cho mỗi điểm của luồng đa phương tiện. Bdownlink và Buplink xác định bởi khả năng của thiết bị đầu cuối người dùng và mạng truy cập là ràng buộc đối với các tài nguyên (rij1, ...,rijq).
Gọi xij = (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1 Nếu điểm hoạt độngpj được chọn bởi luồng fi
0 Ngược lại
Khi đó, bài toán tối ưu đáp ứng QoS cho các luồng đa phương tiện có thể được mô hình hóa tương tự bài toán xếp ba lô bị chặn dạng nhị phân 0-1 nhiều chiều, nhiều lựa chọn (Multi-choice Multi-dimension 0-1 Knapsack-MMKP) với hàm mục tiêu tối đáp ứng yêu cầu của các luồng đa phương tiện dựa trên việc đánh giá sự quan trọng của các luồng để phân bố tài nguyên hợp lý. Bài toán xếp ba lô dạng 0-1 sẽ hạn chế mỗi luồng đa phương tiện fi sẽ chỉ được kích hoạt bởi hành động pj thông qua biến xij, còn bị chặn thể hiện qua ràng buộc về tài nguyên, ràng buộc về băng thông của mỗi luồng đa phương tiện.
Định nghĩa 2.5 (Tối ưu QoS cho các luồng đa phương tiện [56]).
max n X i=1 pi X j=1 wixijui(rij) (2.38) thỏa mãn các ràng buộc: h X i=1 pi X j=1 q X k=1 xijrijk 6Bdownlink (2.39) n X i=h+1 pi X j=1 q X k=1 xijrijk 6Buplink (2.40) n X i=1 pi X j=1 xijrijk 6Rk, ∀k =q+1, ..,m (2.41) pi X j=1 xijrijk 6Rik, ∀k = 1..m, ∀i = 1..n (2.42) n X i=1 pi X j=1 xij = 1 (2.43) xij ∈ {0,1},∀i = 1..n,∀j = 1..pi (2.44)
2.3.2 Các nghiên cứu liên quan
Các nghiên cứu về QoS trong IMS hướng đến gồm các giải pháp tự động đáp ứng với nội dung đa phương tiện phù hợp với tài nguyên sẵn có mạng trong mạng. Trong [74], Ozcelebi và cộng sự đã đưa ra giải pháp để tăng cường QoS E2E cho các luồng đa phương tiện trong IMS. Tiếp đó, Boula và cộng sự cũng cải tiến kiến
trúc IMS nhằm nâng cao tính năng giám sát giữa các lớp và cơ chế thích ứng để tối đa QoS nhận được [13]. DAIDALOS, INTERMON và ENTHRONE là các dự án lớn tập trung nghiên cứu về điều khiển phiên đa phương tiện đáp ứng theo nội dung gồm các agent giám sát mức nút mạng (NodeMon), mức mạng (NetMon), mức dịch vụ (ServMon) [31, 56]. Trong đó, DAIDALOS và ENTHRONE hướng đến việc giám sát QoS trong một vùng mạng còn INTERMON giám sát giữa các vùng mạng dựa trên việc ánh xạ về mặt không gian và thời gian giữa lưu lượng, topo mạng và QoS toàn trình. Ngoài ra, ta có thể kể đến giải pháp đáp ứng giữa yêu cầu và nội dung, giải pháp ra quyết định tối ưu thông số dịch vụ, tiếp cận mô tả cấu hình dịch vụ chuyển tiếp dựa trên đàm phán dịch vụ trong [43, 50, 51, 87]. Tuy nhiên, hạn chế của các giải pháp trên là chưa thống nhất được những tiêu chí để hỗ trợ cung cấp dịch vụ đa phương tiện theo hướng cá nhân.
Mô hình QoSM (QoS Monitoring) giám sát các tham số QoS tại nút biên mạng (Customer Edge-CE) theo luồng tin như Hình 2.20.
Hình 2.20: Mô hình giám sát QoSM
Trong đó, User profile lưu các thông tin về QoS cần đáp ứng, các Agent đo và thu thập dữ liệu; chức năng lọc và lưu trữ dữ liệu đo được; chức năng phân tích và tính giá trị các tham số QoS. Mục đích của QoSM là giám sát tham số QoS của các luồng có yêu cầu, trong kết nối từ CE1 của khách hàng tại điểm 1 tới CE2 của khách hàng tại điểm 2. Agent là một chức năng phần mềm được gắn với thiết bị biên mạng của khách hàng, thực hiện giám sát, thu thập các thông tin QoS của mạng bằng cách chèn thông tin giám sát vào các gói tin thuộc các luồng một cách chủ động. Các Agent thực hiện thu thập dữ liệu các gói tin của luồng cần giám sát và chuyển tới bộ phận lưu trữ và chức năng phân tích online. Mỗi Agent được xác định bằng các thông tin đầu vào và đầu ra mong muốn, thực hiện các chức năng đo và giám sát.
Khối phân tích online tìm mối tương quan giữa các dữ liệu thu thập được từ các Agent, lựa chọn thông tin đo được để lưu trữ tập trung để phân tích, xử lý. Tại mỗi Agent đã thực hiện lọc dữ liệu theo điều kiện (theo luồng cần giám sát).
Khối Phân tích online thực hiện so sánh, tìm mối tương quan giữa dữ liệu thu thập được từ các Agent có liên quan tới luồng cần giám sát với giá trị các tham số QoS trong SLA của khách hàng để đánh giá và hiển thị trạng thái QoS cung cấp cho khách hàng. với giá trị các tham số QoS trong SLA của khách hàng để đánh giá và hiển thị trạng thái QoS cung cấp cho khách hàng như Hình 2.21(a).
Hình 2.21: Giám sát QoS online và offline
Giám sát online thực hiện xác định giá trị tham số QoS định kỳ và/hoặc liên tục để phát hiện tức thời những biến động của QoS. Tại những thời điểm đó, cơ chế sử dụng dữ liệu QoS đo được tức thời và dữ liệu QoS đã lưu trữ để so sánh, phân tích kết quả. Dựa trên số liệu lưu trữ, yêu cầu QoS của các luồng, khối phân tích offline thực hiện phân tích dữ liệu, đánh giá các tham số QoS (như băng thông, trễ, tỷ lệ mất gói tin). Việc so sánh giá trị tham số QoS đo được và giá trị tham số SLA cho biết tại thời điểm đó, mức độ đáp ứng cam kết về QoS của mạng có đạt yêu cầu hay không để đánh giá mức độ đáp ứng SLA trong khoảng thời gian giám sát như Hình 2.21(b). Giám sát offline giảm thiểu yêu cầu tính toán của hệ thống vì dữ liệu QoS được lưu trữ chỉ cần phân tích một lần khi kết thúc thời gian giám sát. Do cần ít năng lực tính toán của hệ thống, số luồng có thể giám sát đồng thời tăng. Tuy nhiên, giám sát offline không phát hiện tức thời sự suy giảm QoS, do đó không phù hợp cho nhà cung cấp dịch vụ. Giám sát offline phù hợp cho người sử dụng dịch vụ để đánh giá QoS trung bình trong thời gian dài.
Trong [60], Khan đề xuất mô hình, kiến trúc và thuật toán Heuristic để tìm phương án tối ưu với một số lượng lớn biến để giải bài toán đáp ứng chất lượng của phân hệ IMS trong nhiều phiên (Quality Adaptation in a Multisession Multimedia System). Một cách tiếp cận khác nhau để xây dựng các bài toán tối ưu là sử dụng công cụ đặc tả môi trường sử dụng giống như một phần của tiêu chuẩn MPEG DIA nhằm tối ưu đáp ứng QoS đã được giới thiệu bởi Mukherjee và cộng sự [24]. Trong [56, 57], L.S Kapov và cộng sự đã mô hình bài toán so khớp và tối ưu hóa QoS (Q-MOF:QoS Matching and Optimization Function) đặc tả các tín hiệu E2E trong lớp điều khiển dịch vụ của kiến trúc NGN. Bài toán so khớp và tối ưu hóa QoS (Q-MOF) là bài toán NP-khó có thể được giải trong thời gian gần đa thức bằng quy hoạch động hay thuật toán gần đúng kiểu tham lam (greedy approximation algorithm) khi số lượng luồng nhỏ [60].
Trong phần này, luận án không đi sâu nghiên cứu về các đặc tính kỹ thuật của IMS mà chỉ xem xét cơ chế cấp phát tài nguyên cho các luồng đa phương tiện
theo mô hình Q-MOF được L.S. Kapov và cộng sự đề xuất trong [56]. Mục đích của điều khiển luồng là tối ưu hóa thông lượng sử dụng của mạng, giảm trễ gói tin, đảm bảo tính công bằng cho việc trao đổi thông tin và tránh tắc nghẽn trong mạng. Sự công bằng là khả năng đảm bảo cho các người dùng, các ứng dụng khác nhau được sử dụng tài nguyên mạng với cơ hội như nhau thể hiện ở khả năng chia sẻ băng thông và tài nguyên cho tất cả người dùng hoặc kết nối. Trong mạng NGN, các tài nguyên mạng có hạn trong khi nhu cầu truyền thông tin ngày càng tăng vì vậy hiện tượng tắc nghẽn mạng là khó tránh khỏi. Đặc biệt là đối với các