RACS, IMS, RACF sẽđược so sánh theo tiêu chí phạm vi bảo đảm QoS và số
thông điệp báo hiệu phải dùng, được thể hiện trong Bảng 2.1. Theo tiêu chí phạm vi bảo đảm QoS, IMS hỗ trợ QoS trong phạm vi hẹp nhất so với hai kiến trúc còn lại. E2E QoS có thể rất khó hỗ trợ trong IMS vì xung đột lưu lượng có thể xẩy ra tại ER của IP-CN. Nếu UE có thể hỗ trợ RSVP thì IMS có thể hỗ trợ E2E QoS. RACS có thể hỗ trợ E2E QoS bằng việc hỗ trợ QoS cho tất cả các ER của AN và IP-CN. Tuy nhiên, RACS chỉ có thể kiểm soát QoS trong một domain, chứ không thể đảm bảo trong trường hợp nhiều domain. So với RACS, RACF có thể hỗ trợ E2E QoS trong trường hợp nhiều domain vì nó có thể hỗ trợ nhiều PD-FE và PE-FE trong IP-CN. RACF có thể kiểm soát QoS trong mạng cố định và di động trong khi đó RACS chỉ
có thể hoạt động trong mạng cốđịnh.
Số lượng thông điệp báo hiệu phải sử dụng của mỗi kiến trúc lại theo chiều hướng ngược lại so với tiêu chí phạm vi bảo đảm QoS. Khi một dịch vụđa phương tiện được thiết lập hoặc thay đổi tùy vào sự thay đổi bên phía khách hàng, hoặc do sự di động của khách hàng, RACF sẽ cần sử dụng nhiều thông điệp để kiểm soát QoS hơn RACS và IMS vì có nhiều FE được dùng. Hơn nữa, nếu một kiểm soát
QoS không thành công do một trong số các PD-FE không có đủ tài nguyên theo yêu cầu đã được đàm phán, việc đàm phán sẽđược lặp lại trong stratum dịch vụ, và do
đó việc báo hiệu cũng sẽ lặp lại trong stratum vận chuyển. Điều này nghiêm trọng hơn trong trường hợp ứng dụng đa phương tiện như hội nghị trực tuyến giữa nhiều khách hàng khác nhau.
Bảng 2.1. So sánh giữa RACS, IMS, và RACF
Kiểu PDP PEP Các FE khác Phạm vi/E2E QoS Số thông điệp báo hiệu IMS R5 (UMTS) PDF GGSN SGSN E2E QoS trong một miền nếu UE có thể hỗ trợ RSVP Thấp nhất R6 (WLAN) PDG WAG R7 (DSL) SPDF BAS DSLAM RACS SPDF RCEF (AN)/BGF (IP-CN)
A-RACF E2E Qos trong phạm vi một domain
Trung bình
RACF
PD-FE PE-FE NACF, TRC-FE E2E QoS trong nhiều domain Cao nhất 2.3.4 Kết luận
Mô hình IMS có nhược điểm là chỉ hỗ trợ các ứng dụng sử dụng giao thức báo hiệu SIP.
Đối với mô hình RACF, nó được thiết kế để thực thi các ứng dụng có đảm bảo QoS trong cả mạng truy cập và mạng lõi, nhưng ITU-T không chỉ ra thực tế
hoạt động của RACF trong các mạng thực tế như thế nào. Tính năng mở rộng của RACF khó để thực hiện vì tính phức tạp của nó, tuy nhiên đây là vấn đề có thểđược giải quyết trong tương lai gần.
Mỗi mô hình chuẩn của các tổ chức đều có ưu nhược điểm riêng, tùy vào yêu cầu của mạng mà có thể dùng một mô hình riêng rẽ hoặc kết hợp các mô hình này.
2.4 Mô hình E2E QoS cho một kiến trúc mạng NGN cụ thể
Theo [25], một kiến trúc mạng NGN được đề nghị. Trên cơ sở kiến trúc đưa ra tác giảđã giới thiệu cách thực hiện kết nối đảm bảo E2E QoS băng qua các mạng không dây và có dây phân cấp gồm WLAN, WiMAX, Metro Ethernet, mạng WAN dùng MPLS và WAN dùng DiffServ. Kiến trúc E2E QoS này sẽ tuân theo chuẩn kiến trúc QoS cho NGN của ITU-T, báo hiệu cho thiết lập kết nối sử dụng báo hiệu IMS của 3GPP.
2.4.1 Kiến trúc mạng
Trong Hình 2.7 chỉ ra kiến trúc mạng tham chiếu (reference architecture)
được dùng để thực hiện kết nối có đảm bảo QoS. Trong kiến trúc, WiMAX là công nghệ chặng cuối (last mile) với WLAN đặt tại phía người dùng. WLAN Access Point (AP) đóng vai trò là WiMAX Base Station (BS) và AP. Nhiều WiMAX BS có thể được kết nối với Access Service Network Gateway (ASN-GW) thông qua mạng truy cập Metro Ethernet. Tại Metro Ethernet các lưu lượng được tổng hợp nhờ sử
dụng Provider Backbone Bridging Traffic Engineered (PBB-TE). ASN-GW được xem như router biên (giống như Broadband Remote Access Server) có khả năng kết nối với các mạng truy cập khác theo kiểu ngang hàng - peer2peer hoặc kết nối với các nhà cung cấp dịch vụđể yêu cầu các dịch vụđa dạng từ máy chủứng dụng. Đối với WAN sẽ xem xét cả hai trường hợp: WAN sử dụng MPLS và WAN sử dụng DiffServ.
Việc ánh xạ các thành phần trong kiến trúc của ITU-T với mạng tham chiếu
tại biên mạng, nên các tác giả đề xuất việc đặt RACF bên trong ASN-GW. Tương tự mỗi domain trong mạng nên có một nút có nhúng RACF bên trong.
Hình 2.4. Kiến trúc tham chiếu (Nguồn: Pavithra Ramaswamy, 2009)
2.4.2 Các mô hình QoS sử dụng trong kiến trúc mạng tham chiếu
Bên cạnh việc sử dụng mô hình RACF của NGN, IMS của 3GPP, và giao thức NSIS, để thiết lập kết nối E2E QoS trong mạng tham chiếu cần dùng tới một số
mô hình QoS của các thành phần mạng liên quan, cụ thể như sau:
2.4.2.1 Các mô hình QoS trong mạng truy cập
a) Kiến trúc QoS trong mạng WLAN
Chuẩn 802.11 a/b/g đều triển khai Distributed Coordination Function (DCF) hoặc Point Coordination Function (PCF) để giành quyền truy cập đường truyền giữa các trạm trong mạng. Phương thức truy cập của 802.11 MAC là một DCF được biết như giao thức đa truy cập có cảm nhận sóng mang kết hợp với chống tắc nghẽn mạng - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). Khi một trạm muốn truyền, nó cảm nhận môi trường truyền xem có trạm khác đang
truyền không. Nếu đường truyền không bận, việc truyền của trạm sẽ được thực hiện. Giải thuật CSMA/CA chỉ ra khoảng thời gian phải đợi trước khi có thể giành quyền sử dụng đường truyền nếu đường truyền bận. Nếu đường truyền bận, trạm sẽ đợi cho tới khi đường truyền rảnh và bắt đầu bộ đếm thời gian back-off. Bộ đếm thời gian back-off sẽđếm ngược về 0. Nếu khi bộ đếm trở về 0, đường truyền rảnh thì trạm bắt đầu truyền. CSMA/CA là giao thức hạn chế đụng độ xẩy ra giữa các trạm cùng truy cập đường truyền.
DCF cũng hỗ trợ việc đặt chỗ kênh truyền bằng cách dùng Request To Send/Clear To Send (RTS/CTS) thay vì truy cập ngẫu nhiên để truyền các frame dữ
liệu. Cơ chế này cũng hỗ trợ ACK (mức độ tầng MAC).
PCF sử dụng Point Coordinator (PC) đểđảm bảo không có tranh chấp đường truyền, PC hoạt động tại AP nên PCF bị hạn chế bởi những mạng cơ sở. PCF hỗ trợ
việc truy cập đường truyền không cần cạnh tranh bằng cách giám sát để bầu ra trạm
được truyền. Nó tạo một khoảng thời gian không cạnh tranh đường truyền - Contention Free Period (CFP) để bắt đầu việc bầu ra trạm được truyền. Các trạm truyền với một khoảng thời gian truyền frame ngắn hơn cơ chế DCF vì vậy có quyền ưu tiên hơn các frame đang đợi cạnh tranh đường truyền. Một khi hết thời gian CFP, các trạm có thể bắt đầu lại việc cạnh tranh kênh truyền cho tới khi bắt
đầu một CFP kế tiếp.
Với các cơ chế truy cập kênh truyền ở trên không có khả năng hỗ trợ QoS cho các trạm không dây trong mạng. Do đó chuẩn 802.11e đã giới thiệu QoS cho kiến trúc WLAN. Một chức năng mới có tên Hybrid Coordination Function (HCF) bao gồm việc cải thiện DCF và PCF với cơ chế QoS. HCF dùng hai cơ chế có tên là: Enhanced Distributed Chanel Access (EDCA) và Hybrid Coordination Function Controlled Channel Access (HCCA). EDCA là một cải tiến của DCF tức là việc truy cập kênh truyền dựa vào cạnh tranh giữa các trạm. HCCA làm việc dựa trên nền tảng tương tự PCF. Các trạm có thể lấy đường truyền bằng cách sử dụng cả
EDCA TXOP (Transmit Opportunity) và HCCA TXOP. Những chức năng này sử
AP. Trong WLAN có hỗ trợ QoS, AP được gọi là QAP và các trạm dược gọi là QoS STAs.
Inter-Frame Space (IFS) là khoảng thời gian giữa các frame. Giá trị IFS độc lập với tốc độ bít của mỗi trạm và nó cốđịnh cho mỗi tầng vật l ý. Có năm IFS khác nhau được định nghĩa cho năm cấp độ ưu tiên khi truy cập mạng không dây gồm: Short Inter Frame Space (SIFS), PCF Inter Frame Space (PIFS), DCF Inter Frame Space (DIFS), Arbitration Inter Frame Space (AIFS) và Extended Inter Frame Space (EIFS). SIFS sẽđược sử dụng khi một STA chiếm dụng đường truyền và giữ đường truyền trong suốt khoảng thời gian trao đổi chuỗi frame. Việc sử dụng khoảng thời gian truyền giữa các frame có mức ưu tiên cao nhất nhằm tránh các trạm khác phải đợi đường truyền rảnh lâu hơn. PIFS được dùng bởi một trạm sử
dụng PCF. DIFS được dùng bởi trạm khi sử dụng DCF. AIFS được giới thiệu cho EDCA trong chuẩn 802.11e. AIFS được định nghĩa cho mỗi nhóm truy cập - Access Category (AC). Một trạm truyền frame đảm bảo QoS thuộc AC nào đó sẽ phải đợi một khoảng thời gian là = EIFS –DIFS + AIFS (AC) và cộng với bất cứ thời gian back-off nào trước khi truyền. EIFS được dùng trong DCF và EDCA trong trường hợp các frame phía trước bị lỗi. Hình 2.8 biểu diễn các IFS:
Hình 2.5. Các IFS
Cơ chế EDCA đưa ra mức ưu tiên tùy thuộc vào cấp độ ưu tiên của người dùng – User Priority (UP) cho các lưu lượng theo 4 nhóm truy cập gồm Background traffic (AC_BK), Best effort traffic (AC_BE), Video traffic (AC_VI) và voice
traffic (AC_VO). Có 8 giá trị UP, mỗi giá trị sẽđược ánh xạ với mỗi nhóm truy cập như trong Bảng 2.2. Mỗi nhóm truy cập có Enhanced Distributed Channel Access Function (EDCAF) để cạnh tranh TXOP của nhóm truy cập sử dụng tập tham số
EDCA gồm: minimum contention window (CWmin), maximum contention window (CWmax), AIFS, DIFS. Mỗi nhóm truy cập có giá trị tập tham số khác nhau. Các nhóm truy cập có mức độ ưu tiên cao hơn sẽ có kích thước CW nhỏ hơn và AIFS nhỏ hơn. Nếu có hai hoặc nhiều nhóm truy cập cùng một STA cùng truyền trong một thời gian sẽ xẩy ra đụng độ trong nội bộ. Sựđụng độ này được giải quyết trong phạm vi trạm bằng cách các frame dữ liệu của nhóm truy cập có độưu tiên cao hơn sẽ nhận được TXOP, các frame dữ liệu từ nhóm truy cập có độ ưu tiên thấp hơn sẽ
hành động giống như trong trường hợp có đụng độ xẩy ra giữa các trạm. Mỗi nhóm truy cập có một hàng đợi riêng trong EDCA, điều này trái ngược với tất cả các lưu lượng trong DCF cùng chia sẻ một hàng đợi chung. Các trạm giải quyết việc tranh giành kênh truyền các QoS STA trong phạm vi một nhóm truy cập bằng cách chọn ra một bộđếm back-off ngẫu nhiên tùy thuộc vào nhóm truy cập.
Bảng 2.2. Ánh xạ giữa UP và AC trong EDCA Thấp Mức ưu tiên Nhóm truy cập Kiểu lưu lượng 1 AC_BK Background 2 AC_BK Background
0 AC_BE Best Effort
3 AC_BE Best Effort
4 AC_VI Video
5 AC_VI Video
6 AC_VO Voice
Trong HCCA phương án bỏ phiếu (polling) và lập lịch (scheduling) là hai phương án quan trọng nhất. Phương án bỏ phiếu là giao thức sử dụng giữa một AP và các trạm, phương án lập lịch là giao thức sử dụng bên trong một trạm. Bên cạnh
đó còn có phương án kiểm soát truy cập.
HC được sử dụng trong HCCA, nó được đặt tại QoS AP của QoS Basic Service Set (QBSS). HC sử dụng mức ưu tiên cao để truy cập WLAN Manager (WM) bắt đầu trao đổi chuỗi frame tuần tự và cấp TXOP cho chính nó và các QoS STA khác nhằm cung cấp pha truy cập có kiểm soát - Controlled access phase (CAP) trong khoảng thời gian giới hạn cho việc truyền dữ liệu QoS không phải cạnh tranh đường truyền.
b) Kiến trúc QoS trong mạng WiMAX
WiMAX là giao thức hướng kết nối dựa trên QoS được định nghĩa trong IEEE 802.16. Một WiMAX BS chịu trách nhiệm lập lịch, quản lý và kiểm soát truy cập tất cả các kết nối từ các trạm thuê bao - Subscriber Stations (SS). Trước khi truyền dữ liệu, BS và trạm di động - Mobile Station - thiết lập một liên kết một chiều logic được gọi là một kết nối giữa hai tầng MAC ngang hàng. Mỗi kết nối
được định danh bởi Connection identifier (CID). CID là một địa chỉ tạm thời cho truyền dữ liệu qua một liên kết. Tầng MAC sử dụng giao thức WiMAX (gọi tắt là WiMAX MAC) được chia thành 3 tầng:
- Service –Specific convergence sub-layer: Tầng này có chức năng phân lớp dữ liệu ngoại mạng (external network) và kết hợp chúng với kết nối phù hợp, mỗi kết nối được định danh bởi CID và Service Flow Identifiers (SFID). Cũng có thể thực hiện các dịch vụ khác giống như Payload Header Suppression (PHS). Tầng này được hỗ trợ các kỹ thuật để có thể tương tác với các giao thức tầng cao hơn như
Ethernet, IP, ATM…
- MAC Common Part Sub-layer (CPS): Cung cấp cho lõi MAC các chức năng như truy cập hệ thống, cấp phát băng thông, thiết lập và duy trì kết nối.
- Security Sub-layer: Cung cấp việc xác thực, trao đổi khóa bảo mật và mã hóa.
Service Flow được định nghĩa trong 802.16 MAC là luồng một chiều được hỗ trợ QoS (có một tập tham số QoS cụ thể) và được định danh bởi SFID. Các tham số QoS có thể là mức ưu tiên của lưu lượng, đỗ trễ tối đa, biến thiên độ trễ (jitter), …Các luồng dịch vụ có thể được cung cấp thông qua một hệ thống quản lý mạng hoặc được tạo tựđộng thông qua cơ chế báo hiệu. BS có nhiệm vụ cấp SFID và ánh xạ luồng dịch vụ với CID duy nhất. Các luồng dịch vụ cũng có thểđược ánh xạ với mã DSCP hoặc nhãn MPLS với mục đích thực hiện E2E QoS trong mạng sử dụng giao thức IP. Để hỗ trợ được nhiều ứng dụng, WiMAX định nghĩa năm dịch vụ được hỗ trợ khả năng thiết lập lịch trình truyền dữ liệu qua một kết nối của BS trong MAC:
- Unsolicited grant services (UGS): Hỗ trợ các gói dữ liệu có kích thước cố định với tốc độ bít không thay đổi - Constant bit rate. Ví dụ các ứng dụng sử dụng dịch vụ này như T1/E1 và VoIP. Các tham số QoS của dịch vụ này là tốc độ lưu lượng tối đa được duy trì (maximum subtained traffic rate), độ trễ tối đa (maximum latency), biến thiên độ trễ (tolerated jitter), và chính sách yêu cầu/truyền dữ liệu.
- Real-time polling services (rtPS): Hỗ trợ các luồng dịch vụ thời gian thực như video chuẩn MPEG, các luồng dữ liệu này có kích thước gói thay đổi theo chu kì. Các tham số QoS của dịch vụ này bao gồm: tốc độ lưu lượng tối thiểu được đặt chỗ (minimum reserved traffic rate), tốc độ lưu lượng tối đa được duy trì (maximum subtained traffic rate), độ trễ tối đa (maximum latency),và chính sách yêu cầu/truyền dữ liệu.
- Non-real-time polling service (nrtPS): Hỗ trợ luồng dữ liệu chấp nhận trễ
có kích thước dữ liệu thay đổi đảm bảo ở tốc độ tối thiểu, ví dụ như FPT. Các tham số QoS của dịch vụ gồm: tốc độ lưu lượng tối thiểu được đặt chỗ (minimum reserved traffic rate), tốc độ lưu lượng tối đa được duy trì (maximum sustained traffic rate), mức ưu tiên, và chính sách yêu cầu/truyền dữ liệu.
- Best-effort (BE): Hỗ trợ các luồng dữ liệu không yêu cầu đảm bảo tại cấp
độ dịch vụ. Các tham số QoS là tốc độ lưu lượng tối đa được duy trì (maximum subtained traffic rate), mức ưu tiên, và chính sách yêu cầu/truyền dữ liệu.
- Extended real – time variable rate (ERT-VR): Dịch vụ này hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực, có tốc độ dữ liệu biến thiên nhưng yêu cầu phải đảm bảo tốc độ
dữ liệu và độ trễ, ví dụ như VoIP có khử khoảng lặng (silence suppression). Dịch vụ
này được định nghĩa trong IEEE 820.11e-2005, không được định nghĩa trong IEEE 802.16-2004. Dịch vụ này được xem như mở rộng của dịch vụ rtPS, gọi là ErtPS.
Mặc dù không định nghĩa một bộ lập lịch cho chính nó, WiMAX định nghĩa một vài tham số và thông số chức năng để thực hiện như một bộ lập lịch hiệu quả:
- Định nghĩa chi tiết các tham số cho các yêu cầu QoS và hỗ trợ các cơ chế