Lược đồ điều khiển truy nhập và tài nguyên
tập trung cho các mạng lõi NGN
Tóm tắt - Gần đây, mạng viễn thông được xem như đang tiến hóa lên mạng thế
hệ sau (NGN), có khả năng hội tụ đa dạng các mạng và cung cấp các dịch vụ hội
tụ. Các nhà khai thác viễn thông hàng đầu đã cố gằng xây dựng mạng NGN.
Một trong các xu hướng là mô hình phân biệt dịch vụ trên MPLS được chọn làm
công nghệ mạng lõi NGN. Chức năng điều khiển truy nhập và tài nguyên
(RACF) cần thiết để hỗ trợ chất lượng dịch vụ của các dịch vụ hội tụ dựa trên
giao thức SIP, đó là các dịch vụ thời gian thực dựa trên mỗi phiên như thoại IP
và thoại video. Cho đến nay, nhiều nghiên cứu của lược đồ điều khiển tài
nguyên trong kiến trúc Internet đã được thực hiện nhưng nghiên cứu của lược đồ
điều khiển chất lượng dịch vụ phù hợp mạng NGN mới xuất hiện gần đây và có
xu hướng tập trung mạnh mẽ trên các mạng truy nhập và mạng biên. Trong bài
báo này, chúng tôi đề xuất một lược đồ quản lý chất lượng dịch vụ tập trung cho
mục đích hiệu quả của kỹ thuật lưu lượng trong các mạng lõi NGN, liên quan
đến kỹ thuật lưu lượng MPLS tập trung (CMPLS-TE). Chúng tôi cũng đề xuất
một kiến trúc điều khiển chất lượng dịch vụ phân cấp cho việc cải thiện tính đơn
giản và khả năng mở rộng trong quan điểm toàn diện của mạng NGN sử dụng
chiến lược phân chia và chiếm, chiến lược này tách các đối tượng quan tâm
thành mạng lõi và mạng truy nhập. Chúng tôi giới thiệu việc lập mô hình của
lược đồ điều khiển tập trung dựa trên mỗi phiên được đề xuất trong bài báo này
và lược đồ kỹ thuật lưu lượng phân tán (ví dụ RSVP-TE, CR-LDP) cho việc
kiểm tra chi phí điều khiển. Chúng tôi cũng giới thiệu mẫu thiết kế của mô hình
CMPLS-TE dựa trên mô phỏng, chúng tôi mong muốn nghiên cứu trong việc
đánh giá hiệu năng của lược đồ điều khiển chất lượng dịch vụ tập trung dựa trên
mỗi phiên sẽ xuất hiện trong tương lai gần.
I. Giới thiệu
Gần đây, các nhà khai thác viễn thông đã xây dựng hoặc lập kế hoạch để
xây dựng mạng NGN dưới dạng một hệ thống con đa phương tiện dựa trên IP
(IMS) có dây và không dây tích hợp với mạng IP đơn, hỗ trợ thoại IP chuyển từ
mạng chuyển mạch thoại công cộng (PSTN) và cung cấp các dịch vụ đa phương
tiện khác nhau. Mạng truyền tải IP đơn tích hợp với mạng chuyển mạch thoại
2
công cộng (PSTN), mạng di động, Internet và mạng truyền hình. Vì vậy, mạng
NGN cung cấp đồng thời các dịch vụ thừa kế và các dịch vụ hội tụ được tạo
mới. Mạng NGN có kiến trúc phân lớp, bao gồm tầng dịch vụ giống như lớp
điều khiển phiên và tầng truyền tải giống như lớp truyền gói tin. MPLS được
chọn làm công nghệ mạng lõi của tầng truyền tải và việc điều khiển chất lượng
dịch vụ (QoS) trên MPLS-TE được tiêu chuẩn hóa. NGN cần điều khiển QoS
trong quan điểm của kỹ thuật lưu lượng cho mục đích cung cấp các dịch vụ đa
phương tiện dựa trên giao thức SIP như thoại IP, thoại IP video và hội nghị
truyền hình… Ở đây, kiến trúc NGN xác định chức năng điều khiển truy nhập
và tài nguyên trong tầng truyền tải. Vẫn còn một câu hỏi chưa được trả lời là các
nhà khai thác viễn thông sẽ triển khai lược đồ RACF tới mạng NGN của họ cụ
thể như thế nào.
Từ rất sớm đã có nhiều cuộc thảo luận về ưu và nhược điểm của kiến trúc
mạng viễn thông tập trung và phân tán. Đã có các vấn đề định tuyến lưu lượng
khi mạng PSTN chuyển sang mạng dịch vụ số tích hợp (ISDN). Các vấn đề đã
được giải quyết với một lược đồ phân cấp quản lý thông tin định tuyến tĩnh và
có thứ bậc, một lược đồ tập trung quản lý thông tin định tuyến có khả năng thích
ứng và một lược đồ phân tán hỗ trợ thông tin định tuyến có khả năng thích nghi
nhưng cũng có các hoạt động theo cách phân tán. Theo tài liệu tham khảo [3] chỉ
ra rằng lược đồ điều khiển tập trung xử lý 100 nút mạng ở thời gian thực trong
các công nghệ của thập niên 90. Kết quả này có thể thay đổi quan điểm cho rằng
NGN coi việc chuyển PSTN thành thoại IP là rất quan trọng. Nói chung, mong
muốn rằng một hệ thống tập trung quản lý thông tin định tuyến đơn giản, giảm
bớt tải cho mức điều khiển trong các nút truyền tải, làm tăng việc tận dụng các
tuyến đường, duy trì tính nhất quán của thông tin định tuyến và chọn một giải
thuật định tuyến mới dễ dàng. Mặt khác, nó cũng có các điểm yếu về khả năng
mở rộng và độ mạnh so với hệ thống phân tán. Mạng NGN có một khái niệm về
sự tách biệt là chia mức điều khiển và mức dữ liệu và các nhà khai thác viễn
thông quản trị mạng hiệu quả sử dụng khái niệm này, các nhà cung cấp NGN
thích một lược đồ tập trung hơn. Nhưng vấn đề về khả năng mở rộng vẫn còn
bởi sự cần thiết của việc điều khiển dựa trên mỗi phiên hỗ trợ dịch vụ thoại IP…
Mạng tiến hóa hướng tới kiến trúc tập trung hơn là kiến trúc phân tán khi
sự biến động của thị trường được giảm xuống. Một phần bằng chứng là lược đồ
dịch vụ thoại. Có ưu thế hơn để sử dụng một lược đồ tập trung hơn là một lược
đồ phân tán như sự chuyển đổi thành công của Private Branch eXchange (PBX)
3
thành Centrex đang diễn ra. Dự kiến xu hướng tiến hóa mạng thành kiến trúc
quản lý và điều khiển tập trung bởi sự biến động của thị trường thấp ngày càng
thấp hơn trong tương lai. Nghiên cứu trên việc phân tích phản ứng của các thuê
bao tương ứng với việc cung cấp thử nghiệm các dịch vụ hội tụ trong NGN gần
đây cung cấp sự thay đổi giảm sự biến động của thị trường dịch vụ hội tụ và
NGN. NGN chọn ý tưởng của công nghệ truyền tải IP từ Internet. Tuy nhiên,
bởi các dịch vụ mạng viễn thông hoàn toàn khác với các dịch vụ của Internet,
một nhà cung cấp NGN có khả năng đáp ứng cao hơn một nhà cung cấp dịch vụ
Internet (ISP). Vì vậy, chúng tôi nghi ngờ rằng việc xem xét sâu về điều khiển
QoS tập trung trong NGN sẽ cần thiết trong tương lai gần.
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau. Chúng tôi giới thiệu các
nghiên cứu liên quan với điều khiển QoS trong phần 2. Chúng tôi cung cấp một
đề xuất kiến trúc điều khiển QoS phù hợp cho NGN trong phần 3 và đề xuất một
lược đồ QoS tập trung, gọi là kỹ thuật lưu lượng MPLS tập trung (CMPLS-TE)
cho MPLS như một mạng lõi NGN trong phần 4. Phần 5 mô tả các kết luận cuối
cùng của chúng tôi cũng như công việc tương lai.
II. Các nghiên cứu liên quan
Các nghiên cứu của QoS trong Internet đã có lịch sử lâu dài. Các nghiên
cứu tiêu biểu nhất là điều khiển tài nguyên thích ứng cho chất lượng dịch vụ sử
dụng kiến trúc phân lớp dựa trên IP (AQUILA) và kỹ thuật lưu lượng cho chất
lượng dịch vụ trong Internet ở quy mô lớn (TEQUILA). AQUILA cung cấp chất
lượng dịch vụ sử dụng lược đồ phân tán cung cấp tương tác giữa các thành phần
logic được triển khai trên lớp điều khiển tài nguyên (RCL) trong một miền phân
biệt dịch vụ. Điều khiển truy nhập được giao trách nhiệm cho bộ định tuyến biên
qua việc các bộ định tuyến biên nhận các mức giới hạn truy nhập. Điều khiển tài
nguyên được thực hiện bởi các bộ định tuyến lõi được kết nối trực tiếp tới bộ
định tuyến biên như một đại diện của toàn bộ mạng lõi. Giao thức báo hiệu tài
nguyên động dùng chung (DRP) được sử dụng để điều chỉnh các giới hạn truy
nhập theo các trạng thái lưu lượng và để duy trì tài nguyên dùng chung phù hợp
với cây định tuyến. AQUILA có kiến trúc phân tán và tập trung trên mức độ
điều khiển của các bộ định tuyến bởi vì miền mục tiêu của nó là mạng Internet
phạm vi rộng. TEQUILA cố gắng hỗ trợ QoS trong quan điểm của mức quản lý
là: xác định đặc tả mức dịch vụ (SLS), quản lý SLS và thực hiện kỹ thuật lưu
lượng và giám sát lưu lượng. SLS xác định thông tin sau khi thương lượng với
người sử dụng được chuyển tới yêu cầu lưu lượng gộp chung và Bộ định kích
4
thước mạng (ND) thực hiện kỹ thuật lưu lượng dựa trên MPLS sử dụng yêu cầu
lưu lượng gộp chung này. ND thực hiện cấp các yêu cầu lưu lượng dự báo cho
mạng vật lý. ND sử dụng lược đồ điều khiển tập trung trong một miền và thực
hiện dựa trên thời gian ngắn (vài giờ) hoặc dài hạn (nhiều ngày hoặc nhiều
tuần). Kết quả ND xử lý với Internet, sử dụng một lược đồ tập trung trong một
miền MPLS cơ bản và tích hợp mức điều khiển với mức quản lý. Lược đồ cấp
phát tài nguyên theo mô hình phân biệt dịch vụ dựa trên dịch vụ chính sách mở
phổ biến (COPS-DRA), hỗ trợ ứng dụng dựa trên giao thức SIP như thoại qua IP
(VoIP), được đề xuất trong dự án AQUILA. COPS-DRA là chế độ hỗn hợp của
chế độ cấp COPS (COPS-PR) và chế độ gia công COPS cho việc chấp nhận một
hoạt động tích hợp dịch vụ IntServ và cung cấp khả năng mở rộng trong miền
phân biệt dịch vụ DiffServ. Theo chế độ COPS-DRA, điểm quyết định chính
sách (PDP) và điểm thi hành chính sách (PEP) theo thứ tự triển khai trên một bộ
gom băng thông (BB) và một bộ định tuyến biên. PDP cung cấp băng thông ban
đầu cấp cho PEP trong giai đoạn chuẩn bị. Bộ định tuyến biên cung cấp các
băng thông trong giới hạn trước khi một máy chủ SIP trong mạng truy nhập yêu
cầu tài nguyên băng thông. Trong trường hợp vượt quá giới hạn, bộ định tuyến
biên yêu cầu một băng thông phù hợp tới PDP bằng việc sử dụng mô hình gia
công. Nó là tiền điều kiện để máy chủ SIP trong mạng truy nhập hiểu được
COPS-DRA. Một nghiên cứu khác nữa của COPS, một bộ gom băng thông (BB)
có thể điều khiển các bộ định tuyến biên cũng như các bộ định tuyến lõi sử dụng
Common Open Policy Service for Policy Provisioning (COPS-PR) trong miền
phân biệt dịch vụ IPv6.
Có giao thức phân phối nhãn định tuyến dựa trên ràng buộc (CR-LDP) và
kỹ thuật lưu lượng trong giao thức dành trước tài nguyên (RSVP-TE) dưới dạng
các giao thức báo hiệu để hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng trong mạng MPLS. Các giao
thức này hỗ trợ băng thông được cấp cho tuyến chuyển mạch nhãn định tuyến
hiện (ER-LSP) sử dụng lược đồ phân tán bởi các bộ định tuyến. Có những giải
thích về cơ chế của CR-LDP và RSVP, so sánh 2 giao thức trong tài liệu [16].
CR-LDP quản lý tuyến chuyển mạch nhãn (LSP) dưới dạng trạng thái cứng.
Trong quan điểm về độ tin cậy và khả năng mở rộng, các nhà khai thác viễn
thông thích CR-LDP hơn. RSVP-TE là RSVP được sửa đổi thành công trong
chiến lược định tuyến tự do của mạng Internet. Bằng chứng của thành công là
việc quản lý LSP trạng thái mềm và sự thiết lập cây chìm của lược đồ thiết lập
LSP. Có nhiều ví dụ rằng lĩnh vực kinh doanh của các ISP cung cấp các dịch vụ
5
truy nhập Internet chọn RSVP-TE hơn là CR-LDP. Với lý do này chúng tôi đề
cập đến RSVP-TE để so sánh với lược đồ đề xuất của bài báo này trong phần 4.
Gần đây, các nghiên cứu điều khiển QoS và các hoạt động tiêu chuẩn phát
sinh. Chúng giải quyết các phương pháp khác nhau và xem xét các vấn đề hỗ trợ
điều khiển QoS trong nhà cung cấp NGN và giải thích các lợi ích của nhà cung
cấp bộ định tuyến độc lập với mô hình BB từ việc bán buôn, bán lẻ. Nó giải
thích rằng các hoạt động chuẩn điều khiển QoS NGN trong ITU-T và kịch bản
của chế độ kéo và đẩy của RACF như một chức năng lõi của điều khiển QoS và
giới thiệu các vấn đề được giải quyết như kiến trúc chức năng và các vấn đề thủ
tục điều khiển, vấn đề công nghệ truyền tải phụ thuộc khía cạnh, vấn đề phức
tạp cao và khả năng mở rộng của cơ chế điều khiển, vấn đề độ tin cậy và an
toàn, vấn đề điều kiện di động và nhiều đích. Mỗi mô hình điều khiển NGN của
các tổ chức tiêu chuẩn 3GPP, 3GPP2, ETSI TISPAN, ITU-T và các giao thức
cho giao diện liên quan tới RACF được giới thiệu và so sánh trong [13]. [14]
nêu quan điểm của điều khiển QoS trong MSF (Diễn đàn đa dịch vụ). MSF giới
thiệu hệ thống điều khiển tập trung nhưng hệ thống tiếp thu và giữ lại lược đồ
RSVP-TE.
III. Kiến trúc điều khiển chất lượng dịch vụ cho mạng NGN
Mặc dù kiến trúc NGN cung cấp một lược đồ định tuyến ràng buộc mức độ
nhà cung cấp khác với kiến trúc Internet hỗ trợ lược đồ định tuyến tự do, các
nghiên cứu điều khiển QoS trong mạng Internet vẫn được sử dụng. Các nghiên
cứu của kiến trúc BB đưa ra một đề xuất của kiến trúc lai cũng như một sự giải
thích của kiến trúc tập trung và phân tán. Kiến trúc lai có xu hướng cải thiện
việc sử dụng tài nguyên của cơ chế truy nhập trong khi cân bằng nó với việc xử
lý tải của BB thông qua sự thích nghi của kiến trúc tập trung và phân tán. Tuy
nhiên, kiến trúc lai phải trả giá bằng việc quan tâm tới đồng bộ thông tin và phân
phối tải làm việc . Bài báo này đề xuất một kiến trúc phân cấp tách các hoạt
động của BB phù hợp với mạng lõi và mạng truy nhập. Kiến trúc này cung cấp
chức năng phối hợp giữa 02 vùng. Khi chức năng phối hợp không tham gia vào
việc truy nhập cơ sở dữ liệu thì không có vấn đề nhất quán. Kiến trúc này được
mong đợi xử lý thời gian thực các hoạt động điều khiển truy nhập và tài nguyên
cho việc hỗ trợ các dịch vụ hội tụ dựa trên SIP như các dịch vụ thoại IP và thoại
IP video trong NGN. Chúng tôi dự đoán rằng kiến trúc này giải quyết vấn đề khả
năng mở rộng thông qua quá trình cân bằng tải và có những ưu điểm của lược đồ
điều khiển tập trung như cung cấp việc sử dụng tài nguyên cao, tính nhất quán