3.1.1.1 Cấu trúc mạng truy nhập băng rộng
Hình 3.1 cho thấy mạng truy nhập dựa trên DSL hoặc PON, mạng đường trục dựa trên Ethernet/VPLS và mạng vùng dựa trên IP/MPLS. Các nút truy nhập được bố trí ở gần tổng đài điển hình là các DSLAM hoặc các OLT, trong khi thiết bị đặt ngoài trời thường gồm các bộ truy nhập ở xa tốc độ rất cao – Very high speed DSL (VDSL). Server truy nhập ở xa băng rộng (BRAS) đặt tại vị trí kết nối với nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP). Có thể dùng một hoặc nhiều bộ định tuyến dịch vụ để cung cấp Video hoặc thoại IP (VoIP).
Home Network Home Network Remote Access Node
Access Network Aggregation
Network Customer Premises Regional Network Control Office Regional PoP ISP WWW Video Server Access node DSL Modem Service Router Ring/Mash/Star
Các dịch vụ này phải được cung cấp với mức QoS thích hợp trên toàn mạng để đáp ứng yêu cầu dịch vụ của người sử dụng. Mỗi phần tử mạng phải phân biệt được nhiều luồng ứng dụng. Điều này có thể thực hiện bằng cách phân loại các luồng tại biên của mạng (tức là tại nút truy nhập đầu tiên hoặc nút mạng đường trục và trong các server ứng dụng) thành một tập hợp các luồng gộp cung lại và được nhận biết bằng cách đánh dấu QoS như điểm mã DiffServ IP (DSCP), lớp ưu tiên Ethernet (802.1p bits) hoặc các bít thực nghiệm MPLS (E-LSP). Các phần tử mạng này cung cấp QoS cho từng đối tượng khách hàng. Các phần tử mạng trong mạng đường trục và trong mạng vùng thực hiện việc sắp xếp và lập lịch cho các luồng gộp chung.
3.1.1.2. QoS trong nút truy nhập
Nút truy nhập có đầy đủ thông tin về đường truy nhập danh cho các luồng lưu lượng hướng xuống Vì thế ngăn chặn được hiện tượng nghẽn hướng xuống của lưu lượng có quyền ưu tiên cao. Nó còn có một vai trò hết sức quan trọng trong việc cung cấp QoS cho toàn bộ lưu lượng hướng lên. Nó được xem như phần tử mạng đầu tiên dưới sự kiểm soát của nhà cung cấp truy nhập.
- QoS hướng lên:
+ Phân loại và chọn lọc lưu lượng được thực hiện bằng cách sử dụng các danh sách điều khiển truy nhập – Access Control Lists (ACL), danh sách này giúp nhận biết các dòng lưu lượng mà cần phải xử lý QoS. Người ta mong muốn các ACL sẽ trở nên quan trọng hơn, nó không chỉ bao gồm việc phân loại dựa trên MPLS và Ethernet mà còn phân loại dựa trên IP và cổng. Việc lọc cũng thực hiện tính bảo mật nhằm loại bỏ lưu lượng không thực mà có thể gây tổn hại cho từng mạng.
+ Đánh dấu (DSCP hoặc p-bit) với các giá trị có thể xác minh tính chính xác bởi các phần tử trong mạng đường trục khi cung cấp QoS cho từng luồng. DSCP được sử dụng chủ yếu bởi các bộ định tuyến dịch vụ IP có khả năng hỗ trợ QoS, trong khi p-bit có thể được sử dụng bởi các chuyển mạch Ethernet/VPLS có khả năng hỗ trợ QoS. Nếu modem DSL hoặc Home gateway đã thực hiện quá trình phân loại lưu lượng thì nút truy nhập có thể sử dụng đánh dấu DSCP hoặc p-bit để đảm bảo QoS cho mỗi luồng cũng như đánh dấu lại nếu cần. Mặt khác, quá trình lọc lưu lượng nút truy nhập phân loại lưu lượng thành các luồng con QoS, sau đó đánh dấu (hoặc đánh dấu lại) các gói tin tương ứng.
+ Bộ kiểm soát có thể dùng cho nguyên một đường truy nhập hoặc một tập hợp các luồng con QoS phù hợp với bộ phân loại đa trường. Kiểm soát đầu vào nhằm thực hiện các cam kết lưu lượng mà xác định rõ bao nhiêu lưu lượng người sử dụng có thể được gửi tới mạng.
+ Chuyển tiếp lưu lượng tới giao diện đầu ra có thể căn cứ vào một vài trường, điển hình là trường địa chỉ điều khiển truy nhập đa phương tiên – Media Access Control (MAC) và/hoặc địa chỉ IP đích.
+ Sắp xếp và lập lịch cho từng lớp QoS trên các nút truy nhập hướng lên dựa trên DSCP hoặc p-bits: một tập hợp các hàng đợi đầu ra và một lớp QoS được sắp xếp vào một hàng. Cơ chế lập lịch xác định cách xử lý chính xác đối
với các gói tin trong các hàng đợi khác nhau. Các bộ lập lịch khác nhau (ví dụ: ưu tiên nghiêm ngặt hoặc round robin) có thể cung cấp chức năng khác nhau trên cùng một nhóm các hàng đợi.
- QoS hướng xuống:
Các khung tới nút truy nhập với DSCP hoặc p-bits được đánh dấu bởi các server ứng dụng hoặc các bộ định tuyến dịch vụ. Tiếp đến cũng thực hiện kiểm soát đầu vào mà được ngầm hiểu là nút truy nhập không cần phải thực hiện công việc này. Sau khi quyết định chuyển tiếp thì thực hiện theo các bước:
+ Giới hạn tốc độ ra: tương tự với việc kiểm soát đầu vào. Chức năng này được thực hiện để đảm bảo cam kết lưu lượng mà khách hàng đã đăng ký dịch vụ.
+ Sắp xếp và lập lịch cho từng lớp QoS trên các đường truy nhập dựa trên DSCP hoặc p-bits: hướng xuống chủ yếu sử dụng nhiều hàng đợi QoS trên đường truy nhập và ánh xạ lưu lượng tới một hàng đợi cụ thể dựa trên DSCP hoặc p-bits. Các cơ chế lập lịch kết hợp với việc sử dụng các đặc tính quản lý hàng đợi có thể xác định được cách xử lý các gói tin nhận được trong các hàng đợi khác nhau một cách chính xác.
Điều quan trọng cần lưu lý là khi QoS cho từng khách hàng buộc phải đảm bảo, các phần tử nằm sâu trong mạch có thể thực hiện lập lịch lưu lượng theo lớp QoS sử dụng DSCP hoặc các bít p-bits khác nhau. Còn các thiết bị chuyển mạch và các biên mạng nhận biết dịch vụ có các khả năng tương tự như trình bày ở trên.
3.1.2. Tổ chức mạng
QoS trong mạng truy nhập và mạng đường trục có đặc tính là phải đảm bảo vào thời điểm nghẽn mạng, lưu lượng nỗ lực tối đa (best-effort) bị dớt đầu tiên để các luồng lưu lượng có tính ưu tiên cao hơn (ví dụ: thoại hoặc video) không bị ảnh hưởng. Bên cạnh đặc tính QoS này thì việc tổ chức mạng tốt nhất là cần thiết nhằm đảm bảo không bị mất các gói tin có tính ưu tiên cao.
Tổ chức mạng bao gồm việc phân chia dải thông có sẵn trên các đường truyền khác nhau thành một quỹ dải thông cho từng lớp mạng QoS. Nếu đảm bảo dải thông cấp cho các lớp lưu lượng thì quỹ dải thông của những lớp này không được vượt quá quỹ dải thông đã lập ra. Điều này có thể thực hiện bằng kiểm soát gộp chung đối với từng lớp QoS và kỹ thuật kiểm soát tài nguyên.
Hình 3.2 là một ví dụ về việc phân chia lưu lượng thoại, video và dữ liệu với tốc độ bít đảm bảo tối thiểu. Lưu lượng nỗ lực tối đa và lưu lượng tải có thể điều khiển có thể được ấn định vào cùng một vùng, miễn là quá trình lập lịch có khả năng ấn định một vùng hợp lý cho mỗi lớp dịch vụ. Việc xác định một quỹ dải thông đảm bảo tối thiểu không bằng không cho lưu lượng tải có thể điều khiển và/hoặc lưu lượng nỗ lực tối đa nhằm đảm bảo các lớp này không bị mất đi bởi lưu lượng thoại hoặc video. Khi thực hiện tổ chức trên các đường dây thuê bao số, phương thức an toàn nhất là chia quỹ dải thông dựa trên tốc độ DSL đảm bảo tối thiểu. Nếu tốc độ lớn hơn (ví dụ như lưu lượng web) thì dải thông vượt quá này có thể được sử dụng bởi những ứng dụng nỗ lực tối đa. Việc tổ chức mạng cũng được thực hiện tương tự trong mạng đường trục.
Dải thông có sẵn được phân cho từng lớp QoS, thậm chí cho từng nhà cung cấp dịch vụ. Mỗi nhà cung cấp dịch vụ sẽ phụ thuộc vào cam kết lưu lượng đã ký kết với nhà cung cấp truy nhập để xác định rõ có thể cung cấp bao nhiêu lưu lượng thoại và video. Việc cam kết này là một phần thỏa thuận về mức dịch vụ - Service Level Agreement (SLA) với nhà cung cấp truy nhập, thông thường nó phản ánh bằng các nghẽn cổ chai khác nhau trong mạng.
Hình 3.2: Tổ chức mạng trên đƣờng DSL
Quỹ cho lưu lượng thoại
(vd: 90 kbit/s cho mỗi luồng thoại G771)
Quỹ cho lưu lượng Video (vd: 3Mbit/s cho mỗi video)
Quỹ cho tải có thể điều khiển và nỗ lực tối đa (ví dụ: 128kbit/s cho lưu lượng tải có thể điều
khiển và nỗ lực tối đa) Tốc độ bít DSL tổi thiểu (vd: 3,5Mbit/s)
Tốc độ bít DSL (vd: 3,7Mbit/s)
3.1.3 Kiểm soát cấp tài nguyên
Cần phải áp dụng các cơ chế để giới hạn tổng số dòng video trên đường truy nhập và trong mạng đường trục sau khi tổ chức mạng, . Kiểm soát cấp tài nguyên kiểm tra xem liệu có dịch vụ mới nào được mạng hỗ trợ không. Một ví dụ điển hình về các dịch vụ triple-play (cấp đồng thời thoại, dữ liệu, video) được minh họa trong hình 3.3. Việc kiểm soát tài nguyên do một thành phần kiểm soát QoS điều khiển, thành phần này tiến hành một số kiểm tra đối với từng đường truyền trong mạng truy nhập và mạng đường trục. Có nhiều cách để thực hiện chức năng này từ phương thức phân tán quen thuộc với mô hình dịch vụ tích hợp sử dụng báo hiệu QoS trong băng cho đến kiểm soát QoS tập trung cho mạng truy nhập và đường trục. Phương pháp tập trung được giả thiết biết đầy đủ về các dịch vụ cung cấp cho khách hàng và việc quy hoạch mạng dựa trên sự hiểu biết về các dịch vụ, kể cả các quỹ băng thông trên các đường truy nhập
Để thực hiện kiểm soát tài nguyên cho đường truy nhập và để kiểm soát QoS cho mạng đường trục thì cần tích hợp một thành phần kiểm soát QoS vào trong nút truy nhập . Trong trường hợp các dịch vụ dựa trên kỹ thuật truyền đa hướng – multicasting (ví dụ: truyền hình quảng bá), nút truy nhập là phần tử mạng đầu tiên nhận và gửi đi các bản tin đa hướng và thực hiện tái tạo lưu lượng. Do có đầy đủ thông tin về tốc độ bit trên đường truy nhập, nó có thể chặn các thuê bao tham gia vào dòng multicasst nếu trên đường truy nhập không có đủ tài nguyên. Điều này đảm bảo được chất lượng của các dòng multicast khác trên cùng một đường truy nhập.
Thực tế cho thấy các khách hàng thường yêu cầu đăng ký nhiều dịch vụ. Điều này đặt ra một khó khăn khi kết hợp quá trình kiểm soát cấp tài nguyên trong nút truy nhập với kiểm soát QoS sâu hơn trong mạng khi mà chúng thường không thể thông hiểu về nhau. Tương lai, các nút truy nhập trong quá trình này sẽ trở nên phức tạp hơn.
Kế tiếp là việc kiểm soát cung cấp tài nguyên để thực hiện các quyết định đưa ra từ chức năng kiểm soát QoS. Đây là công việc được tiến hành tại biên của mạng truy nhập và mạng đường trục.
Việc kiểm soát cấp tài nguyên có thể thực hiện tại gateway ứng dụng (ví dụ: bộ định tuyến biên IP) đối với các dịch vụ đơn hướng (unicast) đường xuống. Đối với các dịch vụ multicast, nút truy nhập kiểm soát các dòng multicast được tái tạo lại trên các đường truy nhập. Việc kiểm soát cũng có thể
Customer Premises Control Office Regional PoP Application Server Multicast Service Control Ring/Mash/Star Unicast Service Control
được thực hiện trong nút truy nhập hoặc sâu hơn trong mạng tùy thuộc vào nghẽn cổ chai xảy ra ở đâu đối với hướng lên.
3.2 Đảm bảo chất lƣợng dịch vụ QoS trong các mạng truy nhập vô tuyến:[17][19][20] tuyến:[17][19][20]
Với mạng truy nhập vô tuyến băng rộng, các kỹ thuật QoS phụ thuộc vào công nghệ truyền dẫn vô tuyến, ví dụ như hệ thống di động GSM/GPRS hoặc mạng LAN vô tuyến (WLAN), cũng như các kiểu chuyển mạch (chuyển mạch kênh hoặc chuyển mạch gói) và sự kết hợp của chúng với mạng đường trục. Đến nay, có hai cấu trúc được chỉ rõ cho phép cung cấp các dịch vụ GSM/GPRS là qua công nghệ vô tuyến dựa trên gói tin và qua mạng đường trục cố định, như DSL. Cả hai cấu trúc này sử dụng lại các nguyên lý về QoS – tổ chức mạng – kiểm soát tài nguyên như trình bày ở trên. Truy nhập vô tuyến
không cấp phép – Unlicensend Mobile Access (UMA) và kiến trúc 3GPP- WLAN interworking cung cấp giải pháp QoS cố định di động kết hợp, đây có thể là động cơ thúc đẩy các cơ chế QoS dùng cho các mạng cố định.
3.2.1. Truy nhập di động không cấp phép (UMA)
Đây là một giải pháp hội tụ tính di động/cố định mềm dẻo nhằm mở rộng mức độ phủ sóng GSM/GPRS trong khu dân cư (nhà ở và nơi công cộng) và trong các văn phòng quy mô nhỏ. Chỉ tiêu kỹ thuật UMA đã được chuyển đổi sang 3GPP, sử dụng truy cập Wifi hoặc Bluetooth kết hợp với mạng đường trục cố định (ví dụ dựa trên DSL). Điều này cung cấp dịch vụ GSM/GPRS hỗ trợ trong WLAN cũng như chuyển vùng và chuyển giao liền mạch trong mạng tế bào.
Một giải pháp dựa trên bộ điều khiển mạng truy nhập chung – Generic Access Network Controller (GANC) được trình bày trong hình 3.4. GANC đóng vai trò như một bộ điều khiển trạm gốc GSM, được kết nối tới một mạng lõi GSM/GPRS chuẩn sử dụng các giao diện chuẩn. Các dịch vụ GSM/GPRS thoại và số liệu, bao gồm dịch vụ SMS, MMS, WAP, … đều được cung cấp không cần quan tâm đến công nghệ vô tuyến.
Khi có một thuê bao sử dụng thiết bị đầu cuối cầm tay hai chế độ (dual- mode) di chuyển trong phạm vi của mạng không cấp phép (Wifi) thì máy di động này sẽ kết nối với GANC qua mạng truy nhập IP. Báo hiệu và dữ liệu
người sử dụng được định tuyến qua GANC sử dụng một đường hầm bảo mật IP đơn – IP Security (IPSec) để cung cấp tính toàn vẹn và tính an toàn cho dữ liệu. Khi QoS được yêu cầu qua mạng truy nhập vô tuyến GSM/GPSM – Radio Access Network (RAN) đã được xác nhận theo dịch vụ yêu cầu và chính sách vận hành, mạng lõi GSM/GPSM yêu cầu thiết lập một kênh truyền tải phù hợp tới trạm di động. Cụ thể đối với UMA, GANC xác định QoS thích hợp trong mạng RAN dựa trên lớp lưu lượng và sau đó gán một DSCP thích hợp. Trong hình 3.5 trình bày mô hình QoS đầu cuối – đầu cuối đối với UMA
. UMA chỉ rõ làm thế nào DSCP của một gói IP được xử lý bởi gateway bảo mật (SGW) và tại trạm di động để đảm bảo QoS dọc theo đường hầm IPSec và vượt ra ngoài đường hầm.
Hướng xuống, cổng truyền thông GSM đối với miền chuyển mạch kênh và SGSN đối với miền chuyển mạng gói đánh dấu các gói IP bằng DSCP. SGW gói các gói tin IP gốc vào đường hầm IPSec chuyển thẳng tới trạm di động và tạo IPSec DSCP từ DSCP gốc. DSCP gốc được lấy ra từ gói IP đã được đóng gói ở phía trạm di động.
Hướng lên, trạm di động sao chép DSCP mào đầu IP ở phía ngoài của hướng xuống thành DSCP mào đầu IP ở phía ngoài của hướng lên cho QoS giữa trạm di động và SGW. Nó cũng sao chép DSCP mào đầu IP ở phía trong
của hướng xuống thành DSCP mào đầu IP ở phái trong của hướng lên cho QoS ở phía bên kia SGW. Để đảm bảo QoS qua mạng truy nhập Ethernet và mạng đường trục, thì gateway định tuyến sẽ ánh xạ IP DSCP vào lớp QoS Ethernet thích hợp. Ngoài ra, điểm truy nhập WLAN ánh xạ 802.1p bits vào lớp QoS đa phương tiện WiFi 802.11e thích hợp để cung cấp việc truy nhập kênh khác nhau, điều này giúp kiểm soát và có thể dự đoán trước thời gian và tính khả thông truyền dẫn.
3.2.2. 3GPP – WLAN interworking
Dự án hợp tác 3G (3GPP) đã cho thấy hệ thống 3GPP và WLAN kết hợp làm việc với nhau như thế nào. Mục đích của việc kết hợp WLAN là để mở rộng các dịch vụ 3GPP dựa trên truyền dẫn gói tới môi trường truy nhập WLAN. Không giống như cấu trúc UMA, được thiets kế chủ yếu cho các dịch