Hệ thống GPRS bổ xung thêm một số thành phần mới vào mạng GSM, thành phần quan trong nhất là nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) và nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN), các nút SGSN qua giao diện Gn tạo thành một mạng dữ liệu chung (mạng đ−ờng trục) giữa các miền và đ−ợc nối với mạng Internet, X25 tại giao diện Gi của GGSN, nối với các mạng PLMN khác qua
cổng GGSN biên (Boder GGSN ). Cấu trúc mạng GPRS thể hiện trong hình 2.7. BSC PCU TRAU IWF VLR MSC Abis A Gs Gb GGSN BTS cell cell AUC HLR EIR Gn Gf Gc Gn SGSN Gi Gr Gn Gp Border GGSN Mạng GPRS Mạng đ−ờng trục GPRS SGSN Giữa các mạng PLMN G` Border GGSN Kênh riêng Mạng dữ liệu ngoài (IP, X.25... ) Intranet PSPDN ISDN PSTN
PCU: Packet Control Unit – Khối điều khiển gói.
GGSN: Gateway GPRS Support Node – Cổng hỗ trợ nút GPRS SGSN: Serving GPRS Support Node – Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS
Ch−ơng III
cơ sở nền tảng về dịch vụ và chất l−ợng dịch vụ
3.1. ứng dụng và dịch vụ.
Ng−ời sử dụng trao đổi thông tin qua các ứng dụng, các ứng dụng đ−ợc cho phép thông qua các dịch vụ bởi cơ sở hạ tầng hệ thống thông tin. Song song với sự phát triển của mạng vô tuyến và sự bùng nổ của Internet, số l−ợng của các dịch vụ và các dịch vụ giá trị gia tăng ( ví dụ, di động đ−ợc xem là một dịch vụ gia tăng giá trị của mạng vô tuyến ) của các hệ thống truyền thông vô tuyến và hữu tuyến đang ngày càng phát triển nhanh chóng và đa dạng. Tuy nhiên, dịch vụ nào đáp ứng đ−ợc các xu h−ớng trong xã hội và các yêu cầu của ng−ời sử dụng thì chắc chắn sẽ thành công. Trong khi các dịch vụ đang tồn tại sẽ vẫn giữ nguyên và vẫn sẽ là một phần trong việc cung cấp dịch vụ của các nhà cung cấp. Các mong muốn của khách hàng sẽ h−ớng đến các dịch vụ Multimedia băng rộng và các dịch vụ mang nhiều thông tin và yêu cầu cao về QoS.
Khái niệm dịch vụ và ứng dụng đ−ợc trình bày trong hình 3.1;Trong đó: + Dịch vụ là danh sách các sản phẩm mà nhà cung cấp đ−a ra cho ng−ời sử dụng lựa chọn:
Các dịch vụ là thành phần mà nhà cung cấp có thể chọn kinh doanh riêng biệt hoặc đóng gói. Chúng hoàn toàn khác nhau với các nhà cung cấp dịch vụ trong môi tr−ờng mạng thế hệ mới ( Next Generation Network NGN ) và do đó ng−ời sử dụng sẽ lựa chọn nhà cung cấp dịch vụ thông qua sự lựa chọn các sản phẩm từ danh sách đề ra của nhà cung cấp.
+ ứng dụng, là các khối riêng cho phép đ−a ra các dịch vụ.
ứng dụng trong suốt đối với ng−ời sử dụng và nó không xuất hiện trong hóa đơn tính c−ớc của ng−ời sử dụng.
+ Nội dung là các thông tin mà ng−ời sử dụng cần và sẵn sàng chi trả để đạt đ−ợc thông tin đó.
+ Thiết bị cho phép ng−ời sử dụng t−ơng tác với các ứng dụng để truy cập và sử dụng nội dung. Ng−ời sử dụng Mạng/Thiết bị Nhà cung cấp dịch vụ Dịch vụ ứng dụng Nội dung Hình 3.1. Liên hệ giữa dịch vụ và ứng dụng.
Sự đa dạng của các ứng dụng với các yêu cầu về băng thông, tỷ lệ tổn thất, trễ khác nhau sẽ đ−ợc hỗ trợ trong mạng vô tuyến di động thế hệ mới. Ta có thể phân loại các ứng dụng theo các yêu cầu về tốc độ, trễ và tỷ lệ tổn thất nh− sau:
Hình 3.2. Tốc độ, trễ và tỷ lệ tổn thất của các ứng dụng.
Loại 1: Các ứng dụng băng thông nhỏ nhạy với trễ
Đòi hỏi của các ứng dụng này là thời gian thực, băng thông và tỷ lệ tổn thất nhỏ. Ví dụ cho các ứng dụng này là: điện thoại tiếng nói, hội nghị thoại.
Tốc độ dự liệu nằm trong vùng từ 8 Kbps đến 128 Kbps. Tỷ lệ tổn thất là 10-4 ( 0,0001=0,01% ). Trễ tối đa la 40 ms .
Loại 2: Các ứng dụng băng thông lớn, nhạy với trễ.
Các ứng dụng này yêu cầu thời gian thực và băng thông lớn. Ví dụ cho các ứng dụng này là : Điện thoại hình ảnh, hội nghị truyền hình, Voice over IP (VoIP), âm thanh chất l−ợng cao. Tốc độ dữ liệu nằm trong vùng từ 176 Kbps đến 768 Kbps. Trễ chấp nhận đ−ợc từ 40 ms đến 90 ms.
Loại 1 và loại 2 thuộc loại bảo đảm thời gian thực, đ−ợc đặc tr−ng bởi yêu cầu về trễ rất nghiêm ngặt.
Loại 3: Các ứng dụng băng thông lớn, chịu đ−ợc trễ.
Các ứng dụng này cũng dòi hỏi thời gian thực nh−ng chỉ yêu cầu giới hạn thời gian trễ thống kê. Các ứng dụng này phát ra các dòng dữ liệu băng thông lớn. Ví dụ cho các ứng dụng này là : hình ảnh tốc độ bít biến đổi, bán hàng từ xa vv....
Loại 4: Các ứng dụng băng thông nhỏ, chịu đ−ợc trễ.
Các ứng dụng này đặc tr−ng bởi chịu đ−ợc trễ và băng thông nhỏ. Ví dụ cho các ứng dụng này là: Short Message Service (SMS), nhắn tín, th− thoại, th− điện tử, tin tức/dữ liệu t−ơng tác. Giới hạn về thời gian trễ không đòi hỏi nh−ng thời gian đáp ứng nằm trong một khoảng thời gian nhất định, th−ờng vào khoảng 100 ms.
Loại 5: Các ứng dụng băng thông lớn, không nhạy với trễ.
Đây là các ứng dụng không thời gian thực. Ví dụ cho các ứng dụng này là phân phối th− điện tử nền (−u tiên thấp), tải các tập tin và cơ sở dữ liệu. Đặc tr−ng của các ứng dụng này là tốc độ lỗi bít rất thấp.
Dòng l−u l−ợng của các ứng dụng này đ−ợc ghép kênh thống kê và chia sẻ tài nguyên chung của mạng. Đ−a tất cả các dịch vụ vào một dịch vụ mạng đ−ợc xem là một thuận lợi chính của mạng vô tuyến thế hệ mới, nh−ng sự tích hợp này sẽ tạo ra nhiều thách thức khó khăn về mặt kỹ thuật cho hệ thống nền tảng. Việc phát triển các chiến l−ợc để tích hợp hiệu quả các loại l−u l−ợng này là một nhu cầu cấp bách. Thách thức là phải phát triển các cơ chế điều
khiển đáp ứng các mục tiêu chất l−ợng cho các loại l−u l−ợng khác nhau, trong khi cho phép tận dụng có hiệu quả tài nguyên mạng.
3.2. Chất l−ợng dịch vụ QoS.
Việc cung cấp bảo đảm QoS cho các ứng dụng thời gian thực bao gồm các ứng dụng Multimedia là rất cần thiết. Bảo đảm QoS là một vấn đề chính không chỉ đối với Internet hiện thời mà còn cho mạng thế hệ mới nh− các mạng IMT2000/UMTS do bản chất trên cơ sở gói và sự tích hợp nhiều loại hình ứng dụng với các đặc tính l−u l−ợng và yêu cầu dịch vụ đa dạng. Việc lấy một cơ chế điều khiển chung để cung cấp bảo đảm QoS nên đ−ợc xem xét trong mối quan hệ với các vấn đề khác nh− định tuyến, cấp phát tài nguyên/băng thông, điều khiển tắc nghẽn, điều khiển chấp nhận kết nối, lập lịch kênh truyền. Để hỗ trợ QoS, các dịch vụ mạng nên đ−ợc cung cấp đầy đủ.
Cung cấp bảo đảm QoS trong môi tr−ờng bất đồng nhất đ−a đến một thách thức đáng kể do không chỉ vì vấn đề QoS của một mạng riêng lẻ mà còn là sự kết hợp giữa các mạng và sự t−ơng tác giữa các kiến trúc QoS khác nhau dọc theo đ−ờng kết nối end-end.
3.2.1. Các định nghĩa về chất l−ợng dịch vụ.
+ Định nghĩa về chất l−ợng dịch vụ QoS.
QoS đ−ợc sử dụng để đặc tả các yêu cầu của ng−ời sử dụng và mô tả sự bảo đảm của hệ thống mạng. Có một số nghiên cứu về QoS và các định nghĩa khác nhau về QoS đã đ−ợc đ−a ra phụ thuộc vào hệ thống xem xét. Ví dụ nh−: QoS cho WAN, QoS cho mạng ATM, QoS cho Mulimedia. Theo ITU-T, QoS đ−ợc định nghĩa nh− sau:
QoS là tập hợp tác động về chất l−ợng dịch vụ, nó xác định sự hài lòng của ng−ời sử dụng về một dịch vụ. Nó đ−ợc đặc tr−ng bởi sự kết hợp các yếu tố chất l−ợng thích ứng với tất cả các dịch vụ nh−: Chất l−ợng hỗ trợ dịch vụ, chất l−ợng thi hành dịch vụ, chất l−ợng ảnh h−ởng dịch vụ, chất l−ợng duy trì dịch vụ, chất l−ợng bảo toàn dịch vụ và chất l−ợng an toàn dịch vụ.
Định nghĩa: Chất l−ợng dịch vụ (QoS) có thể đ−ợc định nghĩa chung là khả năng của mạng để làm vừa lòng các yêu cầu của khác hàng đối với kết nối của họ liên quan để các tham số: băng thông (thông l−ợng), trễ, trôi trễ và tỷ lệ tổn thất.
+ Các tham số QoS
Các yêu cầu ứng dụng của ng−ời sử dụng đặc tr−ng bởi các tham số QoS nh− sau:
- Băng thông (BandWidth): Trên quan điểm của ứng dụng, nó là tốc độ cần thiết để ứng dụng gửi l−u l−ợng qua mạng. Trên quan điểm mạng, nó là dung l−ợng yêu cầu cần thiết để hỗ trợ thông l−ợng (throughput) của ứng dụng.
- Trễ (Latency/delay): Là thời gian cần thiết để gửi các gói dữ liệu từ nguồn đến đích. Nó là thời gian trễ có thể chấp nhận đ−ợc của ứng dụng.
- Trôi trễ ( Jitter): Là sự biến thiến thời gian trễ của các gói tại bộ thu. Trôi trễ đ−ợc định nghĩa là sự khác nhau về thời gian trễ của hai gói liên tiếp.
- Tỷ lệ tổn thất gói (Loss rate): Là phần trăm dữ liệu mất mát, th−ờng đ−ợc biểu diễn nh− là tỷ lệ mất tế bào, gói, khung, phụ thuộc vào thông tin phát đi.
+ Bảo đảm QoS thống kê và bảo đảm QoS xác định (Deterministic and Statistical QoS Guarantees).
Deterministic QoS Guarantees đ−a ra một giới hạn về chất l−ợng của gói bên trong một kết nối nh− giới hạn trễ end-end và không tổn thất gói.
Statistical QoS Guarantees cho phép tỷ lệ tổn thất gói ở một xác xuất nào đó và trễ gói có thể lớn hơn giới hạn có thể định nghĩa tr−ớc. Giới hạn xác định đ−ợc cho d−ới dạng: var ≤ giới hạn. Giới hạn thống kê đ−ợc cho d−ới dạng xác xuất (: var ≤ giới hạn) ≤ B, trong đó var là trễ, trôi trễ hoặc tỷ lệ mất gói và B là giới hạn xác xuất.
+ Bảo đảm QoS ghếp nối ( Concatenation of QoS Guarantees)
nối QoS của mạng riêng biệt dọc theo đ−ờng liên kết nối từ nút phát đến nút thu.
+ Lớp dịch vụ ( Class of Service COS) và thỏa thuận mức dịch vụ ( Service Level Agreemet SLA).
Các dịch vụ của mạng đ−ợc phân loại thành các lớp dịch vụ (COS) và đ−ợc đối xử riêng biệt. COS cho phép phân biệt các loại l−u l−ợng để điều khiển chúng vì vậy đạt đ−ợc QoS cho mỗi lớp. SLA là sự thoả thuận giữa khách hàng và nhà cung cấp dịch vụ cho một dịch vụ. SLA th−ờng là một hợp đồng dịch vụ, thực hiện lúc thuê bao dịch vụ và cố định trong khoảng thời gian thuê bao. COS và SLA đ−ợc sử dụng trong chính sách QoS liên quan đến thuê bao. Có ít nhất 3 lớp dịch vụ phân biệt: Bảo đảm xác định, bảo đảm thống kê, nỗ lực tối đa (tức là không bảo đảm ).
+ QoS t−ơng đối và tuyệt đối (Relative and Absolute QoS).
QoS t−ơng đối liên quan đến cách c− xử các lớp khác nhau. Mạng bảo đảm rằng các lớp cao hơn sẽ nhận dịch vụ tốt hơn so với các lớp thấp. QoS tuyệt đối định nghĩa bằng các số đo định l−ợng nh− trễ, mất mát thông tin vv...
3.2.2. Phân lớp QoS.
Mô hình phân lớp QoS cho các ứng dụng đa ph−ơng tiện có ít nhất 4 lớp (hình 3.3): mức ng−ời sử dụng (used level), mức ứng dụng (application level), mức hệ thống ( system level) và mức mạng ( network level). QoS mức ng−ời sử dụng liên quan đến QoS có thể nhận thấy đ−ợc định nghĩa ở mức ng−ời sử dụng. QoS mức ứng dụng đ−ợc định nghĩa bằng các tham số mức ứng dụng nh− tốc độ khung, độ phân giải vv... QoS mức hệ thống đ−ợc định nghĩa bằng các tham số hệ điều hành. QoS mức mạng đ−ợc định nghĩa bằng các tham số mức mạng bao gồm thông l−ợng, trễ, tỷ lệ tổn thất.
Đặc tả QoS liên quan đến việc nắm bắt các yêu cầu QoS mức ng−ời sử dụng/ứng dụng và ánh xạ chúng xuống các lớp khác. Một đặc tả QoS gồm ba thành phần: bộ mô tả dịch vụ, bộ mô tả l−u l−ợng và một khái quát sơ l−ợc QoS dùng để mô tả các thuộc tính của ứng dụng, qui luật l−u l−ợng và chất l−ợng đ−ợc bảo đảm t−ơng ứng.
QoS mức ng−ời sử dụng QoS mức ứng dụng QoS mức hệ thống
QoS mô tả thiết bị QoS mức mạng
ứng dụng
Mạng Hệ thống
Quá trình địa ph−ơng
Ng−ời sử dụng
Hình 3.3. Các mức QoS.
Việc ánh xạ QoS là cần thiết để chuyển đổi các yêu cầu QoS giữa các lớp khác nhau, ánh xạ QoS có thể sử dụng 2 ph−ơng pháp: sử dụng bảng (ánh xạ mô tả dạng ng−ời sử dụng) hoặc hàm chuyển đổi.
3.2.3. Các nguyên tắc bảo đảm QoS.
Các cơ chế hỗ trợ QoS có thể phân loại thành 3 nhóm con: Cung cấp QoS ( QoS providing), điều khiển QoS (QoS control) và quản lý QoS (QoS management).
+ Các nguyên tắc cung cấp QoS.
Việc cung cấp QoS bao gồm đặc tả dịch vụ, ánh xạ QoS, kiểm tra chấp nhận, thỏa hiệp và dành tr−ớc tài nguyên.
- Đặc tả dịch vụ: là tài nguyên thực hiện lúc đăng ký thuê bao hoặc lúc thiết lập cuộc gọi. Ng−ời sử dụng đặc tả các yêu cầu dịch vụ và các đặc tr−ng l−u l−ợng đầu vào. Lúc đăng ký thuê bao, một hợp đồng đ−ợc thỏa thuận giữa ng−ời sử dụng và nhà cung cấp dịch vụ sử dụng SLA, nó sẽ liên quan đến các chính sách quản lý QoS. Đặc tả này có thể ở nhiều mức trìu t−ợng khác nhau từ mức ng−ời sử dụng đến các mô tả mức thấp.
- Kiểm tra chấp nhận: là quá trình liên quan đến quản lý tài nguyên, thực hiện so sánh yêu cầu tài nguyên của ng−ời sử dụng/ứng dụng với tài nguyên có sẵn của mạng. Kiểm tra chấp nhận có thể thành công hoặc không. Nếu kiểm tra tiếp nhận hỏng, b−ớc thoả hiệp sẽ đ−ợc tích cực hoặc cuộc gọi sẽ bị từ chối. Khi quá trình chấp nhận thành công, một hợp đồng vắn tắt giữa ng−ời sử dụng và mạng sẽ đ−ợc thực hiện và tài nguyên đ−ợc dành tr−ớc. mạng giám sát l−u l−ợng ng−ời sử dụng thông qua kiểm soát QoS và cam kết đảm bảo chất l−ợng nếu l−u l−ợng của nguồn tuân thủ hợp đồng l−u l−ợng. Quá trình giữ tr−ớc tài nguyên có thể liên quan đến định tuyến trên cơ sở QoS.
+ Các nguyên tắc điều khiển QoS.
Các nguyên tắc điều khiển QoS liên quan đến nhiều cơ chế điều khiển ở các mức khác nhau và thời gian khác nhau: điều độ l−u l−ợng, lập lịch l−u l−ợng, quản lý bộ đệm, điều khiển luồng và tắc nghẽn.
- Điều độ l−u l−ợng giám sát l−u l−ợng ngõ vào của ng−ời sử dụng, điều chỉnh luồng l−u l−ợng trên cơ sở đặc tả chất l−ợng yêu cầu của ng−ời sử dụng. Thuật toán Gáo thẻ (Token-bucket) hoặc Gáo rò (Leaky bucket) đ−ợc sử dụng để điều độ l−u l−ợng.
- Lập lịch l−u l−ợng đ−ợc xem nh− là cơ chế chính cho điều khiển QoS ở mức gói. Lập lịch có thể trên từng luồng (per-flow) hoặc trên từng lớp (per- class). Sự phân loại các sơ đồ khác nhau phụ thuộc vào mức độ dịch vụ và nguyên lý lập lịch .
- Quản lý bộ đệm nhắm đến việc lọc các gói dữ liệu ở các mức khác nhau. Tại mức gói, kiểm soát bộ đệm có thể cải thiện thông l−ợng của luồng và tránh tắc nghẽn. Tại mức cao hơn, sử dụng các bộ lọc có thể thích nghi chất l−ợng QoS phù hợp với tài nguyên sẵn có.
Các cơ chế điều khiển luồng và tắc nghẽn có cùng mục đích, nh−ng ở các hệ thống đầu cuối. Nguồn dữ liệu yêu cầu phải thích nghi chất l−ợng thực thi của nó phù hợp với tải mạng và sự dao động tài nguyên mạng.
+ Các nguyên tắc quản lý QoS.
Quản lý QoS hoạt động ở thang thời gian lớn hơn các cơ chế khác . Một mặt, các yêu cầu dịch vụ đ−ợc đặc tả sử dụng các chính sách quản lý QoS. Mặt khác, một vài cơ chế quản lý QoS là cần thiết để bảo đảm rằng QoS đã thỏa thuận là đ−ợc duy trì. các cơ chế này bao gồm: giám sát QoS, duy trì