- 1 -
TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
VIỆT NAM
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH
VIỄN THÔNG
NGUYỄN HỒNG SƠN
Nghiên cứu cải thiện DIFFSERV QoS trong
mạng IP
Tóm tắt Luận án TS Kỹ thuật: Kỹ thuật Viễn
thông
Mã số chuyên ngành 62 52 70.05
Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Hữu Lập, TS Vũ
Như Lân
Hà Nội, 2010
- 2 -
A. MỞ ĐẦU
Ngày nay, mạng IP có vai trò thiết yếu trong lĩnh
vực truyền thông. Sự phát triển nhanh chóng của
Internet đã làm cho mạng IP trở thành giao thức
không thể thiếu và ngày càng quan trọng hơn. Trong
khi đó, các nhu cầu về dịch vụ không còn đơn điệu
như trước và trên thực tế các ứng dụng đòi hỏi QoS
xuất hiện ngày càng nhiều. Bối cảnh này đã đặt ra cho
mạng IP nhiều thách thức mới, đòi hỏi mạng IP phải
có các cơ chế QoS hoàn chỉnh để đáp ứng nhu cầu đa
dịch vụ đang gia tăng.
Trong cố gắng đầu tiên tăng cường khả năng QoS
cho mạng IP, tổ chức IETF đã đưa ra cơ chế
Integrated Services (IntServ). Nhưng IntServ sớm tỏ
ra phức tạp, không có tính khả triển (scalability) nên
Differentiated Services (DiffServ) được IETF đề xuất
như là cơ chế thay thế IntServ. Về lý thuyết DiffServ
là kiến trúc QoS quan trọng cho mạng IP, là cơ sở
QoS trong IPv6 và có khả năng phối hợp với MPLS
- 35 -
khiển chấp nhận nối gần giống như môi trường mạng
theo chế độ có kết nối.
- 34 -
0,03 trong khi chạy DiffServ không dùng CAC
với cùng điều kiện tải có xác suất mất gói trung
bình khoảng 0,35 (chỉ mô phỏng độc lập tại tầng
mạng, không kết hợp cơ chế hỗ trợ ở tầng giao
vận như cơ chế điều khiển cửa sổ của TCP). Hiệu
suất sử dụng liên kết cũng khá cao, đạt 90% với
xác suất mất gói xấp xỉ 10-4 .
2. Kiến nghị hướng phát triển
Vấn đề thực hiện QoS cho mạng IP là bài toán lớn,
đòi hỏi sự phối hợp giải quyết từ nhiều giải pháp khác
nhau. Hai giải pháp được đề xuất ở đây cần được tiếp
tục nghiên cứu phát triển.
Đối với giải pháp thực hiện AFij dựa vào CQM
cần nghiên cứu thiết kế module điều khiển thích hợp,
chú trọng thời gian tác động của bộ điều khiển nếu
thực hiện bằng phần cứng theo lý thuyết điều khiển
truyền thống. Nếu thực hiện bằng phần mềm cần đánh
giá độ phức tạp của thuật toán CQM bao hàm thuật
toán token bucket động.
Đối với giải pháp điều khiển chấp nhận kết nối thì
trước hết cần tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho trường
hợp liên domain. Kế đến là lý thuyết hóa đăng ký và
giải phóng tài nguyên không tường minh trong mạng
theo chế độ connectionless, từ đó xây dựng mô hình
định lượng hợp lý làm cơ sở áp dụng các thủ tục điều
- 3 -
tạo ra cơ chế QoS mạnh. Tuy nhiên, trên thực tế các
triển khai DiffServ vẫn chưa đầy đủ các lớp dịch vụ
như đặc tả, từ đó việc cung cấp QoS trên mạng IP
chưa được phổ biến, phần lớn các phiên truyền thông
hiện nay đều phải chạy với mức best-effort. Thiết nghĩ
cải thiện IP QoS trước hết phải cải thiện DiffServ, vì
vậy cần phải tìm ra nguyên nhân khiến DiffServ có
những yếu kém thực tế và đề ra giải pháp để khắc
phục.
Có nhiều nguyên nhân, ở đây có thể nêu ra hai
nguyên nhân nổi trội. Nguyên nhân thứ nhất thuộc về
phương pháp hiện thực DiffServ hiện nay; theo gợi ý
của IETF, tất cả các hiện thực DiffServ đều dùng thuật
toán quản lý hàng đợi tích cực RED để tạo các lớp
dịch vụ khác biệt, nhưng các nghiên cứu cho thấy
cách dùng RED có khó khăn. Bản thân RED không
phải là cơ chế điều khiển nghẽn chính quy, không hỗ
trợ chia sẻ tài nguyên và đặc biệt rất khó chọn lựa các
tham số hoạt động cho nó mà không ảnh hưởng xấu
đến phẩm chất của mạng. Nguyên nhân thứ hai là
DiffServ của IETF không cung cấp cơ chế end-to-end
QoS và không có phương pháp điều khiển các lớp
QoS giữa các nhà điều hành mạng khác nhau. Thực tế,
ứng dụng của người dùng không có cách gì để yêu cầu
một lớp dịch vụ đặc biệt vì không có điều khiển chấp
nhận kết nối (Connection Admission Control). Thiếu
- 4 -
điều khiển chấp nhận nối sẽ khó ngăn chặn tình trạng
quá tải khiến cho khả năng cung cấp QoS không đảm
bảo.
Từ khảo sát phân tích trên đây, Nghiên cứu sinh
nhận thức rằng DiffServ là cơ chế QoS quan trọng
hàng đầu của mạng IP nên mục đích, đối tượng và
phạm vi nghiên cứu trong luận án như sau:
Mục đích nghiên cứu
Làm sáng tỏ hiện trạng và xu thế của IP QoS.
Tìm nguyên nhân của các hạn chế về thực hiện IP
QoS theo kiến trúc DiffServ hiện nay. Đề xuất giải
pháp nhằm cải thiện DiffServ trên phương diện thực
hiện và cơ chế hoạt động, với hai mục tiêu chủ yếu là :
Đề xuất giải pháp thuận lợi hiệu quả để thực hiện các
lớp dịch vụ con AFij và đề xuất cơ chế điều khiển
chấp nhận kết nối (CAC) cho DiffServ domain.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu kiến trúc DiffServ QoS và DiffServ
domain. Tập trung vào hướng triển khai DiffServ
domain, thực hiện các lớp dịch vụ tại các DiffServ
router và cơ chế đảm bảo end-to-end QoS.
Phương pháp nghiên cứu
Với định hướng nghiên cứu ứng dụng, công việc
thực hiện luận án bước đầu gồm thu thập tài liệu, thực
nghiệm trên các thiết bị và hệ thống. Kế tiếp là khảo
sát các giải pháp thực hiện DiffServ trên thực tế,
- 33 -
Kết quả là hàng đợi được duy trì với độ dài ổn
định, bộ đệm không bị tràn. Có thể thay đổi độ dài
ổn định của hàng đợi bằng cách thay đổi giá trị
tham chiếu qref của bộ điều khiển. Muốn sử dụng
hết kích thước bộ đệm chỉ cần điều chỉnh qref.
2. Áp dụng cơ chế quản lý hàng đợi CQM thực hiện
các lớp dịch vụ AF (AFij) cho mạng DiffServ.
Trong đó, cấu hình giá trị tham chiếu qref khác
nhau cho các bộ điều khiển khác nhau để tạo ra
các lớp dịch vụ khác biệt AFij trong mỗi DiffServ
router. Kết quả là tạo ra được các dịch vụ khác
biệt một cách dễ dàng như dự kiến, điều chỉnh
được một cách linh động. Bộ đệm ngõ ra được sử
dụng với một mức ổn định theo cấu hình, không
xảy ra hiện tượng nghẽn. Tài nguyên được sử
dụng hiệu quả vì khi một lớp dịch vụ ở trạng thái
không tải, tài nguyên đang giữ bị thu hồi để cấp
cho lớp dịch vụ khác đang cần.
3. Đề xuất giải pháp CAC theo hướng phân tán cho
DiffServ domain, gồm tập tiêu chuẩn quyết định
cục bộ có bổ sung ràng buộc trên số luồng nhằm
khắc phục mâu thuẩn cơ bản giữa đặc tính kết nối
và không kết nối, và cơ chế báo hiệu kết nối
không tường minh phù hợp với tiêu chuẩn quyết
định cục bộ này để cộng tác thực thi thủ tục CAC.
Kết quả là xác suất mất gói thấp, chỉ khoảng dưới
- 32 -
Hình 3.25 Đồ thị tương quan giữa xác suất mất gói
và hiệu suất.
Bảng 3.4 Các tham số của nguồn 2 (Expo2)
Tham số Giá trị
Packet size
125 bytes
Burst time 400 ms
Idle time 325 ms
Data rate 64 kbps
C. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Luận án “Nghiên cứu cải thiện DiffServ QoS trong
mạng IP” có các kết quả :
1. Đề xuất cơ chế quản lý hàng đợi CQM, trong đó
lấy token bucket kết hợp với bộ điều khiển làm cơ
chế điều khiển cục bộ tại router, điều khiển lưu
lượng đổ vào bộ đệm theo nguyên lý phản hồi.
- 5 -
nghiên cứu các đề xuất cải tiến điển hình. Trên cơ sở
đó xây dựng các giải pháp mới dùng công cụ toán học
và mô phỏng máy tính để kiểm chứng, đúc kết nguyên
lý áp dụng và tham gia hội thảo.
Kết quả chính của luận án :
+ Đã làm rõ hiện trạng và xu thế cũng như cách
thức thực hiện một hạ tầng QoS cho mạng IP theo
kiến trúc DiffServ. Thiết nghĩ, trong điều kiện công
nghệ chế tạo thiết bị mạng của nước ta còn chưa phát
triển thì việc tìm hiểu để nắm bắt cách thức thực hiện
các giải pháp cụ thể trên thiết bị là bước tiếp cận ban
đầu hợp lý.
+ Đã đưa ra giải pháp thực hiện DiffServ mới.
Trong đó, đã thiết kế cơ chế quản lý hàng đợi CQM
dùng token bucket kết hợp với bộ điều khiển. Vận
dụng CQM thực hiện được các lớp dịch vụ trong AF
PHB một cách dễ dàng cùng với khả năng kiểm soát
nghẽn chính qui hơn so với cơ chế dùng thuật toán
RED, cách thực hiện này cũng tạo điều kiện để các
lớp dịch vụ chia sẻ tài nguyên với nhau.
+ Đã phát triển phương pháp điều khiển chấp
nhận kết nối cho DiffServ domain. Trong đó, đề xuất
ý tưởng báo hiệu không tường minh, xây dựng tiêu
chuẩn quyết định đặc trưng làm nền tảng. Cơ chế điều
khiển chấp nhận kết nối mới vẫn đảm bảo được tính
khả triển (scalability) vốn có của mạng DiffServ và