CHƢƠNG 1 : BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN QoS TRÊN MẠNG FMC
4.3 Khái niệm ―dự trữ QoS―
Do tính chất liên mạng của các phiên liên lạc nên mỗi nhà quản trị của một vài miền ạngm trung gian sẽ không thể đảm bảo đƣợc QoS E2E cho
c phi nả ê . Chẳng ạn h , c ơ chế thi lết ập nhƣ trong hình 4-5 trong nhi ều trƣờng hợp s ẽ không th thi l ể ết ập đƣợc luồng media tho m Q do s ả ãn oS ự tích luỹ trễ, m g .. qua c ất ói ác miền mạng trung gian l h n rớn ơ àng buộc ( y c nguy n nh n l m Ở đâ ó ê â à ỗi miền mạng chƣ ìm ra c a t ác đƣờng ối ƣu t cho yêu c thi lầu ết ập phi n n l nê liê ạc ày).
Giả ử s một phi n li n l tho (VoIP) n mê ê ạc ại trê ạng FMC i qua đ đƣờng đ i P,
dịch ụ v thoại y u cầu th ng s tr E2E phải < 150ms, biến ê ô ố ễ động ễ tr <30ms, m gất ói <1% (hình 4-7):
Mạng FMC Điều kiện E2E Q cho doS ịch v thoại: ụ
-LTrễ <150ms -LBiến động trễ < 30ms -LMất gói <1%
s d
P
Hình 4-7 V: d minh h cho kh í ụ ọa áiniệm“dựtrữ QoS”
T ác giả đề xuất kháiniệm dự trữ QoS của phiên êli n lạc nh sau: ƣ
Dự trữ QoS tuyệt đối của m phi n l n một ên liê ạc trê ạng FMC ứng với tham số QoS thứ i g l ọi àRi, l m à ột đại ƣợng ó ứ l c th nguyên l à thứ nguyên của tham s Q t ng ố oS ƣơ ứng, giá ctrị ủa n ó đƣợc ính t bằng ô c ng th : ức
Ri(P) = Li - li(P) (4.1)
Trong đó Li và li(P) t ng ƣơ ứng à àng l r buộc à v thông s Q ố oS thứi thực s ự đạt đƣợc trên đƣờng P, i (1..m).
Trong hình 4-7, khi x cho tham s , gi s ét ốtrễ ả ử trễ trên đƣờng đ i P qua mạng FMC l 130ms th d à ì ựtrữ tuy ệt đối ề ễ v tr của phi n E2E ê là: R[E2E], trễ(P) = 150 ms 130 ms = 20 ms. –
Dự trữ QoS tương đối của một phiên liên lạc n mtrê ạng FMC ứng
với tham số QoS thứ i gọi l à ri l m à ột đại ƣợng l không c ó thứ nguyên) đƣợc ính ằng ô t b c ng thức: L l Ll L r i i i i i i P P P) ( ) 1 ( ) ( (4.2)
Minh h trong ọa hình 4-7, d ự trữ ƣơ t ng đối ủa phi n li n l c ê ê ạc trên đƣờng đ i P qua mạng à l :
r[E2E],trễ(P) = (150 ms 130 ms) / 150 ms = 2/15 ~ 0,133. –
Nếu xem xét ục th mể ạng FMC gồm nhiều miền mạng ết ối ới nhau k n v (hình 4-8) thì vấn đề dự trữ QoS tại mỗi miền mạng đƣợc hiểu nhƣ sau (giả sử ở đây là miền mạng 1 và giả thiết trễ trên đoạn đƣờng thuộc P trong miền 1 là 50ms):
Miền mạng 1 Miền mạng 2 Miền mạng n
Điều kiện: Trễ E2E < 150ms
l[1], trễ(P) = 50 ms
s d
P
Hình 4-8: Dự trữ QoS khi mạng FMC gồm nhiều miền mạng
Dự trữ QoS tuyệt đối ề ễ của phiên liên lạc xét trong miền 1 à v tr l : R[1], trễ = Ltrễ - l[1],trễ (P) 150ms 50 ms = 100ms. = –
Dự trữ QoS tƣơng đối ề ễ của phiên liên lạc xét trong miền 1 à v tr l : r[1],tr ễ=(Ltrễ - l[1],trễ (P) )/Ltrễ = (150ms-100ms)/150ms = ~ 0,33 D n kh ựa trê ái niệm d ự trữ Q , moS ục tiêu hƣớng đến Q E2E c oS ó thể hi vọng đạt đƣợc nếu mỗi miền mạng đầu quan tâm đến tăng cường dự trữ QoS trong miền mạng của mình. Ở đây, trách nhiệm của mỗi miền mạng là cần thiết lập đƣờng đi qua mạng của mình sao cho dự trữ QoS bi của phiên là lớn nhất.
Theo tác giả, dự trữ QoS có lợi chung cho các nhà cung cấp trung gian liên quan vì nếu phiên liên lạc đó có thành công thì mới phát sinh doanh thu cƣớc và các bên đều đƣợc phân chia, mặt khác, dự trữ QoS là vấn đề các nhà cung cấp cũng cần phải tính tới vì trong tƣơng lai khi có sự cam kết SLA giữa các nhà cung cấp thì các nhà cung cấp có QoS càng cao thì sẽ có nhiều khách hàng và cũng đƣợc phân chia tỷ lệ lớn hơn từ cƣớc phí của phiên liên lạc.
Đối với mạng FMC thì dự trữ QoS không chỉ là vấn đề giữa các nhà cung cấp mà cần thiết ngay trong nội bộ một nhà cung cấp do mạng FMC v ề b ản chất đã đƣợc ấu c thành ừ t m s ột ốmiền mạng (truy nh , lập õi..). Đảm bảo chất lƣợng các phiên liên lạc nội mạng hoàn toàn nằm trong trách
nhiệm của nhà cung cấp nhà cung cấp phải tổ chức mạng sao cho đạt , đƣợc mục tiêu này thông qua sự tối ƣu trong mỗi miền mạng. Sự dự trữ QoS là một trong số biện pháp có khả năng thực hiện.
Dự trữ QoS là một cách thức để hƣớng đến E2E QoS trên mạng FMC nhƣng hiện tại chƣa có giải pháp giải quyết.
4.4 Đề xuất giải pháp QoSR nhằm t ng ă dự trữ oSQ cho các phiên liên mạng
Trong c ác phâ ích ền t v kiến trúc thi lết ập phi n dê ịch ụ hình v 4-5 mục 4.1 t ác giả quan tâm đến việc thiết lập tuyến truyền tải media qua các miền mạng sau giai o b đ ạn áo hiệu ịch ụ d v . Bƣớc đầu tiên của giai o n thi đ ạ ết l ập luồng media là tìm đƣờng đi thoả mãn các ràng buộc QoS (đây còn gọi là định tuyến QoS hay QoSR), sau đó nút mạng thực hiện cơ chế thiết lập, chuyển tiếp gói tin, duy trì QoS cho phiên truyền... Trong qu trá ình này, QoSR đóng vai trò quan trọng trong chuỗi các hoạt động này vì nếu không tìm đƣợc đƣờng đi thoả mãn ràng buộc QoS thì các cơ chế chuyển tiếp gói tin cũng không đƣợc sử dụng.
Hiện c r ó ất nhiều giải pháp định tuy ến khác nhau, m ỗi miền ó c thể ử s dụng giải pháp định tuy n ến ào đó hoàn toàn phụ thu vộc ào nhà quản trị c a mi ủ ền đó. Nếu chỉ sử dụng định tuyến tối ƣu (MCOP) thì các tài nguyên chất lƣợng cao thƣờng bị lạm dụng nhiều, lãng phí và tài nguyên
cần cho việc tính toán định tuyến lớn, không khả thi triển khai ở thời điểm hiện tại. Nếu chỉ sử dụng các thuật toán MCP hay biến thái của nó
(ví dụ giải pháp RSP) thì tuy đƣờng đi tìm đƣợc thoả mãn ràng buộc nhƣng nhiều thông số QoS của đƣờng đi sẽ gần với ràng buộc và không còn dự trữ cho các miền ngoài. Nh vậy, sử dụng đồng thời nhiều kỹ ƣ thuật định tuyến QoS trong một mạng rõ ràng là cần thiết.
M s t ột ố ài liệu [4] [51] c, ũng đã nhắc đến vấn đề làm thế ào n phối ợp h nhiều giải pháp định tuy trong cến ùng m ột thiết bị định tuy cến ũng nhƣ trong m ột miền mạng. Trong các tài liệu này c t ác ác giả khuy ngh sến ị ử dụng ác thu c ật toán định tuyến khác nhau cho c lác ớp Q oS khác nhau trong mạng. Trong mi mền ạng chia thành m s lột ố ƣợng ữu ạn ớp h h l Q oS (ví ụ d 5 l p), mỗi thiết b ớ ị định tuyến s x y dẽ â ựng ảng b th ng tin ô định tuy ng cho c lến riê ác ớp này trên c s ơ ở loại bỏ các tuyến/ nút kh ng ph ô ù h vợp ới tính chất ủa t c ừng lớp Q oS (Ví ụ d lớp Q oS thời gian th cao th ực ì s ẽ không chứa các tuy t ến ốc độ thấp hay c ng ngh c ). M khi c yô ệ ũ ỗi ó êu c ầu định tuy Q t y u c nến oS ới thì ê ầu ày s ẽ được nhận dạng ứng v lới ớp Q oS phù ợp à ẽ ử ụng h v s s d giải thu tật ìm đƣờng duy nhất c l Q ủa ớp oS đó, nh vƣ ậy cũng giúp c thi m ải ện ột phần hiệu ăn ính n g t toán định tuyến
do các lớp Q coS àng cao th c ì ấu trúc topo định tuy cến àng đơ n gi hản ơn so với cấu trúc mạng nguy n thu . Tuy nhi n, c ê ỷ ê ác giải pháp này cũng ch a ƣ đề cập đến ấn đề d Q n m v ựtrữ oS liê ạng.
4.4.1 Đềxuất dự trữ QoS cho các phiên liên lạc liên mạng
Sở cứ để luận án này đề xuất sử dụng QoSR nhƣ biện pháp dự trữ QoS cho các phiên liên mạng dựa trên nhận xét của tác giả nhƣ sau:
Đối với các phiên liên lạc nội mạng thì QoS giữa điểm khởi phát và kết thúc của phiên cũng chính là QoS end- -endto , và nếu QoS nội mạng giữa hai điểm này thoả mãn QoS theo ràng buộc cũng chính là thoả mãn E2E QoS. Do vậy các phiên liên lạc nội mạng không cần dự trữ QOS và chỉ cần tìm đƣờng thoả mãn ràng buộc là đủ (ví dụ hình 4-9, phiên thoại nội mạng chỉ cần tìm đƣờng làm sao để trễ nhỏ hơn 150ms là đƣợc). Mạng của nhà cung cấp M SA N Khởi ph át K ết cuối Trễ E2E <150ms Biên mạng M SA N
Hình 4-9: Phiên thoại nội mạng
Đối với các phiên liên lạc liên mạng thì cần dự trữ QoS cho phân đoạn ngoài mạng của mình hình ( 4-10)
miền mạng 1 M S A N Khởi phát K ết cuối miền mạng n D trự ữ QoS End- -End Q to oS Trễ <150ms G W
Hình 4-10: Phiên liên lạc thoạiliên mạng
Phần dự trữ này là cần thiết vì không thể biết phiên liên lạc sẽ cần đi qua bao nhiêu miền khác nữa.
4.4.2 Đề xuất phƣơng pháp nhận dạng định tuyến nội mạng và định tuyến liên mạng tuyến liên mạng
Để phân biệt các phiên liên lạc khác nhau cần nhận dạng các yêu cầu định tuyến. Tác giả đề xuất phƣơng pháp nhận dạng các yêu cầu định tuyến theo tiêu chí nội mạng hay liên mạng nhƣ sau:
Nhận dạng tự động: Nếu yêu cầu định tuyến có điểm kết cuối phiên tại các thiết bị truy nhập trực tiếp (ví dụ thiết bị truy nhập MSAN) không phải là cổng liên mạng (GW) thì phiên đƣợc coi là nội mạng, và nếu yêu cầu định tuyến có điểm kết cuối phiên đi qua các GW địa ( ch ỉ đích nằm ngo mài ạnghiện ại thì coi là các t ) phiên liên mạng (hình 4-11)
Mạng 1 M S A N Khởi phát (s) K ết cuối (d) mạng n G W MSAN K ết cuối Nội mạng Liên mạng Hình 4- : N11 ội mạng và ê li n mạng
Ngoài ra, nhà quản trị mạng có thể định nghĩa sẵn các luật để quy định cho vi ệc nhận ạ d ng này, đây l à việc nhận dạng tĩnh theo chính ách ủa s c nh quà ản mtrị ạng.
4.4.3 Đề xuất sử dụng các thuật toán định tuyến thích hợpcho các yêu cầu nội mạng hay liên mạng cầu nội mạng hay liên mạng
Các giải pháp cho bài toán QoSR trên mạng FMC rất phong phú, mỗi giải pháp đƣợc đặt trong ngữ cảnh, mục tiêu và đối tƣợng phục vụ riêng. Các giải pháp này đƣợc chứng minh là hiệu quả trong các điều kiện biên xác lập cho bài toán. Trên mạng FMC nhu cầu về trao đổi thông tin cũng rất đa dạng, có ứng dụng cần quan tâm chỉ tham số QoS duy nhất (ví dụ băng thông) nhƣng có ứng dụng lại yêu cầu quan tâm nhiều tham số đồng thời. Nhƣ vậy, trên cùng một hạ tầng mạng FMC nếu có khả năng phân lớp các yêu cầu QoS từ các ứng dụng/dịch vụ trên cơ sở các điều kiện biên sẽ tận dụng được các kết quả nghiên cứu của các nhà nghiên cứu.
Trong gi ải pháp này, sau khi đã phân biệt đƣợc các yêu cầu định tuyến tác giả đề xuất sử dụng các thuật toán định tuyến QoSR khác nhau cho các yêu cầu ƣnh sau :
Đối với các phiên liên lạc nội mạng nên sử dụng các thuật toán tìm đường thoả mãn ràng buộc MCP hay tìm đường gần đúng. Các giải thuật MCP hay tìm đƣờng gần đúng có độ phức tạp thấp trong khi c ác giải thu tật ìm đƣờng đ a ràng buộc ối ƣ t u thƣờng ất r phức t do vạp ậy việc sử dụng các giải thuật QoSR khác nhau sẽ làm tăng tốc độ tìm đƣờng.
Đối với các phiên liên mạng hoặc yêu cầu QoS cao nên sử dụng các thuật toán tìm đường tối ưu đa ràng buộc MCOP. L do s ý ử dụnggiải thu MCOP ật ở đây đƣợcchỉ ra nh sau: ƣ
Theo bi ểuthức (1.7) , đƣờng đ ối ƣu i t l(P) tính ằng ô b c ng thức:
L l L l L l m m P P P P l max , ,.., 2 2 1 1
ở đó, mục u ttiê ối u cƣ ủa b ài toán MCOP l là àm sao để l(P) nhỏ nhất, nghĩa l àl(P)min.
B n cê ạnh đó , theo c ng th (4.2), d ô ức ựtrữQoS t ng ƣơ đối đƣợc ính t bằng: L l Ll L r i i i i i i P P P) ( ) 1 ( ) (
Do vậy, mục u ttiê ìm l(P)minc b ủa ài toán MCOP cũng đồng nghĩa l tà ìm đƣờng ó ự c d trữ tối thiểu rmin(P) là lớn nhất (d tr tối thiểu ự ữ
ở đây l d à ự trữ nhỏ nhất trong c tham s Q ). m ác ố oS Hình 4- 12 minh họa dự trữ QoS với mục u t u c b tiê ối ƣ ủa ài toán MCOP , ở trong hình minh h n ọa àyrmin(P) r = 2.
1 L l P 1 1 L l P 2 2 L l P 3 3 L l P 4 4 0.5 L l i i(P) r1 l(P) r2 r3
Hình 4- : 12 Quan hệ giữa dự trữ QoS và mục tiêu tìm nghiệm bài
toán MCOP
Tuy nhi n, gi thu MCOP ê ải ật thƣờng ất r phức t do vạp ậy chỉ nên dùng khi cần tới sự dự trữ QoS.
4.4.4 Đề xuất cấu trúc ộ định tuyến b ở các nút mạng FMC
Để kết hợp việc nhận dạng các yêu cầu định tuyến và sử dụng các giải thuật tìm đƣờng khác nhau tác giả đề xuất kiến trúc thiết b ị định tuyến cho các nút ạngm FMC nhƣ trong hình 4- : 13
C thu to ác ật án định tuy ến (MCP, MCOP) Gói tin đến Nhận dạng yêu c ầu Chính sách/luật nh dận ạng thu to ật án được chọn Đường đ i Chức n ng chuy tiă ển ếp gói tin
(Forward) Thông tin định tuyến Giao th ức định tuyến Gói tin i đ Thiết bị định tuyến (Rout ) er M p h i k h i ặt ẳn g đ ều ển M p h ặt ẳn g d l i ữ ệu
Trích thông tin về yêu c ầu
Hình 4-13: Đề xuất kiến trúc thiết bị định tuyến
Trong hình 4- 13module nhận dạng yêu cầu sẽ phân biệt các yêu cầu định tuyến dựa vào chính sáchhoặc các thuộc tính của yêu cầu định tuyếnnhƣ đề xuất trong mục 4.4.2. Đầu ra của module nhận dạng yêu cầu sẽ quyết
định lựa chọn thuật toán định tuyến cụ thể có sẵn đƣợc tích hợp trong
modul các thuật toán định tuyến theo đề xuất trong mục 4.4.3. Bảng thông tin định tuyến đƣợc sử dụng chung cho các giải thuật khác nhau và đƣợc thu thập/quảng bá bằng giao thức định tuyến QoS.
Dự trữ QoS về nguyên tắc ẽ thực hiện ở tất cả các miền mạng cấu thành s của FMC bởi mục tiêu là hƣớng đến đảm bảo QoS E2E bằng sự nỗ lực của tất cả các miền mạng chứ không chỉ riêng miền nào. Tuy nhiên, trong cấu trúc chung của FMC thì miền mạng lõi IP là miền mạng trung chuyển cho hầu hết các phiên liên lạc trên mạng và bƣớc đầu có thể triển khai trên miền này nhằm dự trữ QoS cho các miền có sự biến động QoS lớn nhƣ mạng không dây hay sang mạng của nhà khai thác khác.
4.5 Thử nghiệm
Mô hình mạng thử nghiệm có số nút mạng N=256, số tham số QoS m=4, thông số QoS của các tuyến đƣợc sinh ngẫu nhiên. Một số trong số N nút đƣợc chọn ngẫu nhiên nhƣ là các GW. Kiến trúc xử lý tại mỗi nút mạng đƣợc tổ chức nhƣ trong hình 4-13, modul nhận dạng yêu cầu sẽ phân biệt
modul thuật toán định tuyến sử dụng 2 thuật toán định tuyến gồm một giải thuật MCOP là RL-SAMCRA [0] và một giải pháp tìm đường thoả
mãn ràng buộc MCP [8] c t n l GREEDY (Ph ló ê à ụ ục 2), modul chức