2.3.1 Tối ưu hóa Framework cho QoS cho phép thích ứng luồng Video trên các mạng OpenFlow
Phương pháp này dựa trên việc phân tích các Framework giúp tối ưu hóa các quyết định chuyển tiếp tại lớp điều khiển để định tuyến động QoS trên mạng và ứng dụng các khung này tới QoS tại lớp điều khiển của OpenFlow. Các Framework khác nhau được đề xuất từ các kiến trúc QoS cung cấp một thiết kế mới mỗi luồng ưu
tiên dựa trên các tham số định tuyến động cho phép luồng mở rộng mã hóa được Video với hai mức QoS. Việc tối ưu hóa định tuyến QoS như tìm đường đi ngắn nhất, ở đó chúng ta xử lý các lớp cơ bản của video mã hóa mở rộng như một luồng QoS mức 1, khi đó các mức nâng cao có thể được xử lý như QoS mức 2 hoặc các luồng Best Effort.
Luồng các ứng dụng đa phương tiện như WebTV, video theo yêu cầu và truyền hình hội nghị đòi hỏi phải dự đoán được, tài nguyên mạng ổn định với độ trễ biến thiên chậm và không bị mất gói và không bị mất gói, điều mà Best Effort không thể luôn luôn đáp ứng được trên Internet. Do đó hàng thập kỷ qua IETF (Internet Engineering Task Force) đã đưa ra một vài kiến trúc QoS, nhưng không cấu trúc nào thành công và được nhân rộng triển khai trên toàn cầu. Điều này bởi các kiến trúc QoS như IntServ hay DiffServ được xây dựng trên mạng Internet phân bố kiến trúc định tuyến hop by hop như hiện nay, thiếu đi bức tranh mở rộng của các nguồn tài nguyên mạng tổng thể. Mặc dù đường hầm với MPLS cung cấp một phần giải pháp nhưng vẫn thiếu tính thích nghi và khả năng cấu hình lại theo thời gian thực. OpenFlow là một kiến trúc mạng lập trình mới sẽ cho phép các nhà cung cấp mạng đưa vào các dịch vụ cải tiến và ảo hóa. Một trong những ưu điểm quan trọng của OpenFlow là tách các lớp điều khiển và chuyển tiếp của bộ định tuyến giúp cung cấp khả năng tái cấu hình động các tùy chọn QoS.
Hỗ trợ QoS động trong OpenFlow
Trong kiến trúc mạng Internet hiện nay, người ta không thể thay đổi định tuyến mạng dựa trên mỗi luồng cơ sở. OpenFlow cung cấp một mô hình mới giúp khắc phục nhược điểm này bằng cách cho phép chúng ta đặt các luật định tuyến khác nhau liên quan đến các luồng dữ liệu để phân vùng các lớp mạng và các luồng lưu lượng có thể ngay lập tức thay đổi ở trong SDN. Thành phần điều khiển của OpenFlow là bộ não của mạng, nhờ các thuật toán khác nhau trong bộ điều khiển kết hợp với các luồng dữ liệu khác nhau có thể đem lại các lựa chọn các tuyến đường khác nhau. Bộ điều khiển cung cấp khả năng truy nhập với các bảng phân
luồng [5] và các luật giúp bộ chuyển tiếp chỉ đạo các luồng lưu lượng trực tiếp. Giao diện chính của bộ điều khiển gồm:
Giao diện Điều khiển - Chuyển tiếp: Bộ điều khiển được thêm vào cùng với một giao thức bảo mật OpenFlow để gửi các bảng phân luồng kết hợp với các luồng dữ liệu để khám phá các Topo mạng, nhận thông tin trạng thái lưu lượng và các thông báo [5].
Giao diện Điều khiển - Ứng dụng: Bộ điều khiển cung cáp khả năng mở rộng, giao diện bảo mật cho các nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng dùng để dành riêng các phân vùng dữ liệu mới (riêng lẻ hoặc các nhóm của các luồng dữ liệu thậm chí để xác định các luật định tuyến kết hợp các phân vùng. Bộ điều khiển quản lý một vài chức năng quan trọng:
Quản lý Topo: khám phá và duy trì mạng kết nối Topo thông qua việc thu thập hoặc nhận dữ liệu từ các bộ chuyển tiếp.
Quản lý định tuyến:xác định sẵn và hiệu suất gói của các tuyến để hỗ trợ tính toán đường đi. Chức năng này yêu cầu thu thập dữ liệu hiệu suất dữ liệu từ các bộ chuyển tiếp theo chu kỳ hoặc các thông báo cơ sở.
Tính toán định tuyến: Tính toán và xác định các tuyến đường cho các luồng dữ liệu khác nhau. Một vài thuật toán định tuyến có thể chay song song để phù hợp với các yêu cầu và các luồng khác nhau. Thông tin Topo mạng và các quản lý định tuyến là đầu vào cho chức năng này cùng với dự phòng dịch vụ.
Quản lý dịch vụ: Ở đây các luồng dữ liệu khác nhau yêu cầu dự phòng được lưu trữ và quản lý.
Thỏa thuận cấp độ dịch vụ (SLA- Service Level Agreement): cung cấp các mẫu SLA cho người dùng các kiểu luồng dữ liệu khác nhau cho phép có thể.
Chính sách lưu lượng: Xác định nếu các luồng dữ liệu chấp nhận với các thỏa thuận cấp độ dịch vụ (SLA) của chúng và áp dụng các luật chính sách nếu chúng không được chấp nhận. Khi một dịch vụ video (ví dụ như một Modul dịch vụ dự phòng) yêu cầu một tùy chọn QoS từ mạng, nó ban đầu được xử lý bởi chức năng quản lý dịch vụ của bộ điều khiển và chức năng này xác định nếu yêu cầu dịch vụ SLA [16] có thể được phân phối dựa trên các yêu cầu dành riêng khác nhau. Nếu yêu cầu dành riêng được chấp nhận, tài nguyên mạng được quản lý cho phép dịch vụ khởi động tại thời điểm bắt đầu của luồng dữ liệu. Các luồng dữ liệu có thể khởi động khi Server video phát tín hiệu từ bộ điều khiển, lúc đó chức năng tính toán đường đi sẽ tính chính xác tuyến đường và tải lên bảng phân luồng tới bộ chuyển tiếp phù hợp. Nếu xảy ra tắc nghẽn trên mạng, chức năng quản lý định tuyến sẽ định tuyến lại để xác định đường đi mới cho luồng dữ liệu. Điều quan trọng là chức năng chính sách lưu lượng phải được đảm bảo để chắc chắn các điểm cuối phù hợp với các chấp nhận mức dịch vụ của chúng (SLAs). Chúng ta có thể thiết lập các luật khác nhau cho lưu lượng đến hoặc đi ra một đích đã biết (như một Server cụ thể tới một Client), hoặc loại dữ liệu đã biết (như video) hay giao thức (như RTP).
Hình 2. 8: Bộ điều khiển OpenFlow và các giao diện
Các bảng phân luồng tương ứng sẽ được tải tới các bộ chuyển tiếp bởi bộ điều khiển. Chức năng tính toán đường đi xác định QoS định tuyến bằng cách tối ưu hóa một hàm chi phí hơn là việc đếm số “hop”. Các đường có dung lượng lớn (thậm chí có đường đi dài hơn) có thể thích hợp hơn các đường ngắn nhưng bị mất gói tin. Các luồng QoS có thể tự động định tuyến lại dựa vào các chỉ số hiệu suất (như mất gói) thu thập thông tin đường đi của các luồng. Khi lưu lượng QoS được truyền trền một tuyến, nhiều gói bị mất có thể được quan sát dựa trên các kiểu lưu lượng khác nhau trên tuyến chia sẻ đó. Do vậy, bất kỳ quá trình tối ưu hóa hiệu suất mà quan tâm đến các luồng QoS cũng phải xem xét ảnh hưởng với các luồng lưu lượng Best effort. Để giảm thiểu tác động bất lợi dự phòng QoS dựa trên các luồng Best effort, phương pháp này sử dụng định tuyến động
trong kiến trúc QoS và không khai thác tài nguyên dự phòng hoặc cơ chế xếp hàng ưu tiên. Do đó phương pháp này xác định ba loại luồng khác nhau như sau:
QoS mức 1: cái sẽ được tự động định tuyến lại đầu tiên với mức ưu tiên cao nhất.
QoS mức 2: sẽ được tự động định tuyến lại sau khi các tuyến lưu lượng mức 1 được cố định.
Best effort: mức sẽ không tự động định tuyến lại (sẽ theo đường dẫn ngắn nhất)
Hình 2. 9: Bộ điều khiển OpenFlow và bộ chuyển tiếp tương tác với 3 mức QoS
Như hình 2.9 minh họa bộ điều khiển sẽ tạo ra và gửi ba thiết lập từ bảng phân luồng tới các bộ chuyển tiếp phân biệt định tuyến luồng QoS mức 1, mức
2 và luồng Best effort cho các luồng giữa các điểm đi vào và đi ra.
Tối ưu hóa định tuyến QoS động như một sự ràng buộc về tìm đường đi ngắn nhất (CSP). Đối với CSP, điều quan trọng để lựa chọn chi phí metric và sự ràng buộc về là cả điều kiện đặc tính của mạng và các yêu cầu hỗ trợ QoS. Trong các ứng dụng đa phương tiện, các kiểu QoS điển hình là độ mất gói (packet loss), độ trễ (delay), và trễ biên đổi (delay variation-jitter) do đó cần xác định chi phí metric và điều kiện phù hợp. Rõ ràng các ứng dụng yêu cầu độ mất gói là nhỏ nhất để QoS tốt nhất. Tuy nhiên, một số chỉ số QoS có thể khác nhau tùy thuộc vào loại ứng dụng chẳng hạn:
Các ứng dụng đa phương tiện tương tác có các yêu cầu đầu cuối chính xác (như 150-200ms với hội nghị truyền hình). Vì vậy vấn đề CSP ràng buộc nên dựa trên tổng thời gian trễ
Các ứng dụng luồng video yêu cầu các điều kiện mạng ổn định cho phát sóng video liên tục, tuy nhiên trễ khởi động ban đầu có thể khác nhau phía người dùng tới người dùng. Điều này ngụ ý rằng trễ biến đổi được yêu cầu phải có giới hạn, vì vậy vấn đề CSP ràng buộc dựa trên trễ biến đổi.
Tóm lại phương pháp này đã giải quyết được vấn đề tìm được dẫn ngắn nhất với thuật toán LARAC và đề cập tới một khung cho việc định tuyến lại các luồng QoS thành các luồng mở rộng, trong đó bao gồm một lớp cơ sở và một hoặc nhiều lớp nâng cao đảm bảo lớp cơ sở không có bất kỳ gói tin bị mất hay bị trễ biến thiên. Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế khi xảy ra tắc nghẽn, trễ biến đổi hay thay đổi định tuyến do việc định tuyến lại và cố định lại luồng cơ sở sau đó mới thực hiện định tuyến các luồng nâng cao nên ít nhiều cũng ảnh hưởng tới chất lượng QoS của các luồng này.