HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

PHẠM VĂN THƯƠNG

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ CƠ CHẾ TĂNG
CƯỜNG KHẢ NĂNG ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH
VỤ TRONG MẠNG THÔNG TIN CHUYỂN MẠCH GÓI

Chuyên ngành:
Mã số:
Kỹ thuật máy tính
62.52.02.14 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TSKH. Hoàng Đăng Hải Hà Nội – 2013
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Công nghệ Bưu chính viễn
thông, Hà Nội.

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TSKH Hoàng Đăng Hải.

Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Đình Việt, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Phản biện 2: PGS. TS. Đặng Văn Chuyết, Đại học Bách khoa Hà

(scheduling), điều khiển luồng tránh tắc nghẽn, quản lý bộ đệm; 2)
Các lớp: Lớp vật lý, lớp IP, lớp truyền tải, lớp ứng dụng; 3) Các thiết
bị trung gian, các thiết bị đầu cuối. Việc lựa chọn các gói tin đến nút
mạng sắp xếp vào hàng đợi và thời điểm đưa lần lượt các gói tin đó
ra khỏi nút mạng để chuyển tiếp đi đóng một vai trò đặc biệt quan
trọng trong việc đảm bảo QoS. Bộ định trình tại mỗi nút mạng có
chức năng thực hiện điều đó và cần được thiết kế để đạt được sự thỏa
hiệp giữa các đặc tính: Hiệu quả, công bằng trong cấp phát tài
nguyên; mềm dẻo trong việc đảm bảo QoS cho các ứng dụng có nhu
cầu khác nhau và đơn giản dễ thực hiện. Do tính biến thiên của lưu
lượng và khả năng bùng phát dữ liệu của các ứng dụng trong mạng
IP hiện nay, việc đảm bảo đồng thời các đặc tính nêu trên vẫn còn là
vấn đề nan giải, đòi hỏi những giải pháp mới xem xét đến mối quan
hệ mật thiết của nhiều yếu tố tác động khác nhau.
1. Tình hình nghiên cứu trong nước, ngoài nước
Trong mười năm trở lại đây, lĩnh vực nghiên cứu về đảm bảo
QoS trong mạng IP đã phát triển mạnh mẽ và sôi động. Ở trong
nước, nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào lớp ứng dụng,
truyền tải, tối ưu định tuyến trong mạng All-IP như: 1) Phát triển một
kiến trúc middleware tương thích QoS theo ứng dụng (AWAQoS)
trong môi trường đa phương tiện phân tán, có khả năng tự thích nghi
với các điều kiện tài nguyên của mạng và hệ thống. 2) Nghiên cứu
cải thiện hiệu năng của bài toán tìm đường và tìm giải pháp định
~ 2 ~

2

tuyến duy trì tính ổn định của chất lượng mạng và hướng đến việc
đảm bảo QoS toàn trình. Một số công trình khác nghiên cứu về đảm
bảo QoS trong xu hướng hội tụ mạng, dịch vụ.

luồng tin, đặc biệt với loại ứng dụng luôn có xu hướng tận dụng tối
đa băng thông (ví dụ tải file, chia sẻ ngang hàng).
- Mặt khác, từ góc độ nhà cung cấp dịch vụ, các luồng tin cùng
gói dịch vụ cần được đảm bảo công bằng về thông lượng (công bằng
QoS, hay công bằng dịch vụ). Giả sử một luồng tin bị lỗi đường
truyền hoặc lỗi truyền gói tin trong một khoảng thời gian ngắn, nhu
cầu thực tế đặt ra là cần có cách bù lại thông lượng đã mất để đảm
bảo tính công bằng dịch vụ cho các luồng tin.
2. Mục tiêu của luận án:
Từ các vấn đề tồn tại đã nêu ở phần trên, luận án đặt ra mục
tiêu là nghiên cứu và đề xuất một số cơ chế tăng cường khả năng
đảm bảo QoS trong mạng IP thông qua việc giám sát QoS của các
luồng, tạo khả năng kiểm soát, hạn chế tốc độ tối đa cho ứng dụng
theo yêu cầu của gói dịch vụ và điều khiển đảm bảo công bằng thông
lượng, bù QoS theo trọng số dựa trên các tham số giám sát được.
Kết quả cần đạt được của luận án: 1) Đề xuất và xây dựng cơ
chế giám sát các tham số QoS tại nút biên mạng của khách hàng. 2)
Đề xuất và xây dựng cơ chế kiểm soát, hạn chế tốc độ tối đa và điều
khiển bù thông lượng. 3) Đề xuất mô hình kết hợp các cơ chế nêu
trên. 4) Thử nghiệm, đánh giá mô hình và đề xuất ứng dụng.
3. Phạm vi nghiên cứu của luận án:
Đảm bảo QoS trong mạng IP là những vấn đề rộng và phức
tạp, vì vậy phạm vi nghiên cứu của luận án là cơ chế định trình trong
mặt phẳng dữ liệu của lớp IP, tại nút biên mạng của khách hàng, nơi
tập trung các luồng gói tin của người dùng.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Luận án nghiên cứu, khảo sát các công trình liên quan để tìm
những tồn tại, lựa chọn vấn đề sẽ giải quyết. Hệ thống hóa các vấn đề
~ 4 ~


~ 5 ~

5

Vì vậy hiện nay các giải pháp đảm bảo QoS trên mạng IP vẫn
đang được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là trong mạng thế hệ mới.
1.2. Cơ chế định trình điều khiển QoS
Trong các cơ chế định trình tới nay, định trình theo nhãn thời
gian có nhiều ưu điểm, phù hợp với mạng tốc độ cao và đã được triển
khai rộng rãi, vì vậy luận án tập trung nghiên cứu về cơ chế định
trình này.
Bộ định trình theo nhãn thời gian duy trì hàm thời gian ảo hệ
thống (V), thời gian bắt đầu (S), kết thúc (F) xử lý gói tin. Tại đầu
vào, nút mạng gán cho gói tin tới nhãn thời gian S, F theo giá trị của
hàm thời gian ảo. Tại đầu ra, gói tin có nhãn thời gian F nhỏ nhất
được chọn để chuyển đi. Các bộ định trình loại này có khả năng đảm
bảo QoS, tách biệt dịch vụ và bình đẳng giữa các luồng tin. WFQ sử
dụng hàm thời gian ảo V(t) như sau:
W
(0) 0
FQ
V

(1.5)
( )
( ) ( )
WFQ WFQ
i
i B t
V t V t

i i
i
L
F S
w
 
(1.9)
Hình 1.10 mô tả cơ chế gán nhãn cho gói tin của WFQ và các
cơ chế định trình dựa trên nhãn thời gian. Các gói tin của mỗi luồng
được sắp xếp vào hàng đợi của luồng đó. Mỗi gói tin tới p
i
k
được gán
nhãn thời gian bắt đầu, kết thúc tương ứng là S
i
k
và F
i
k
. Ví dụ: Giá trị
thời gian kết thúc F
2
k
của các gói tin thứ k =1, 2, 3, 4, 5 thuộc phiên
~ 6 ~

6

2 lần lượt là 4, 8, 16, 20, 24. Tại mỗi thời điểm, bộ định trình xét các
gói tin đầu hàng đợi (Head Of Line -HOL) và chọn gói tin có nhãn

* (1 ) *
k k k
R T T R T T R T T
t t t
 
 
  
(1.19)
Với là
1
k
RTT
t

là trễ truyền gói tin k+1,
k
RTT
t
là trễ trung bình của
k gói tin, γ là hệ số ước lượng của EWMA.
~ 7 ~

7

- Giám sát băng thông: Băng thông tại nút cổ chai được xác
định bằng mô hình cặp gói (Hình 1.12) như sau:
,
1 0
b j
h h

L
,
01
hh
tt 

Hình 1.12. Mô hình cặp gói
Nhận xét: 1) Các phương pháp này chưa sử dụng được để
điều khiển QoS theo yêu cầu. 2) Cần có phương pháp giám sát các
tham số QoS phục vụ cho việc điều khiển nâng cao QoS.

CHƯƠNG 2. CƠ CHẾ GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ.
2.1. Nhu cầu giám sát QoS

Hình 2.1. Cấu trúc điều khiển QoS
Để bộ định trình có thể điều chỉnh QoS phù hợp cần có giám
sát, đánh giá hiện trạng QoS. Tuy nhiên, cấu trúc của các cơ chế định
~ 8 ~

8

trình hiện nay như trong Hình 2.1 chưa xem xét đến điều này.
Chương 2 của luận án sẽ trình bày về một cơ chế giám sát QoS mới,
được đặt tên là QoSM (QoS Monitoring Mechanism).
Để giám sát các tham số QoS, cần lựa chọn phương pháp giám
sát, điểm đo, ngoài ra việc giám sát QoS cũng cần đảm bảo những
yêu cầu như sau: 1) Có khả năng tích hợp vào bộ định trình điển hình
hiện có. 2) Ít ảnh hưởng tới hiệu suất của hệ thống được giám sát. 3)
Kết quả giám sát và báo cáo về các vi phạm QoS có độ chính xác

2.4.1. Phương pháp giám sát, hạn chế tốc độ trên một nút mạng
Phát biểu bài toán: Giả sử một kết nối ra tại nút CE phục vụ
n luồng tin (1 n) như trên Hình 2.6. Mỗi luồng tin phục vụ yêu cầu
kết nối cho một dịch vụ của một người sử dụng, với giá trị băng
thông tối đa là M
i
. Vấn đề cần giải quyết là: đưa ra cơ chế xử lý tại
nút mạng để đảm bảo tốc độ luồng i luôn nhỏ hơn hoặc bằng M
i
.

Hình 2.6. Yêu cầu hạn chế tốc độ luồng i tại nút mạng N1
* Đề xuất phương pháp giám sát, hạn chế tốc độ RateMon:
~ 10 ~

10

Để giải quyết bài toán nêu trên, luận án đề xuất phương pháp
giám sát RateMon (Rate monitoring). Phương pháp xử lý của
RateMon là xác định tốc độ của một luồng trước khi chuyển gói tin
của luồng đó đi. Gói tin của luồng chỉ được chuyển đi nếu tốc độ của
luồng không vượt quá tốc độ tối đa M
i
cho phép. Như vậy RateMon
là cơ chế xử lý online vì nó thực hiện kiểm tra và xử lý từng gói tin:
1k
i i
rate M



i i i
rate rate rate
 
 
  
(2.5)
2.4.2. Phương pháp giám sát phối hợp hai nút mạng QoSMon
Phát biểu bài toán: Một kết nối giữa hai nút CE (N1, N2)
phục vụ n luồng tin. Mỗi luồng kết nối có các chỉ tiêu chất lượng
(trọng số, PTD, PLR) khác nhau. Vấn đề cần giải quyết là: giám sát
để đánh giá mức độ công bằng thông lượng theo trọng số, PTD, PLR
của mỗi luồng có đạt theo yêu cầu trong SLA hay không.
Để giải quyết vấn đề nêu trên, luận án sử dụng phương pháp
PAE nêu trên và phương pháp QoSMon (QoS Monitoring) như sau:
- Thực hiện giám sát trong một khoảng thời gian ngắn Tmon
(Tmon: Thời gian giám sát) để đánh giá các tham số QoS trong ngắn
~ 11 ~

11

hạn; đồng thời tích lũy các giá trị QoS trong các khoảng Tmon liên
tiếp để xác định các giá trị QoS trong thời gian dài hạn (toàn bộ thời
gian giám sát). Sử dụng các giá trị QoS giám sát trong Tmon để điều
khiển, đáp ứng yêu cầu QoS trong thời gian dài hạn.
QoSMon được mô tả trong Hình 2.9. Agent 1 chèn vào phần
mào đầu của gói tin tham số Tsnd (thời điểm gửi gói tin) và PktSqNo
(số thứ tự của gói tin). Khi nhận được các gói tin, Agent 2 sẽ căn cứ
vào Tsnd và PktSqNo để tính các tham số QoS trong ngắn hạn và dài
hạn gồm: băng thông (BW), thời gian trễ (PTD), biến thiên trễ
(PDV), tỷ lệ mất gói tin (PLR), và hàm QoS (F

trung bình của luồng i tính đến thời điểm t, được tính như sau:
~ 12 ~

12

0
( )
( )
( )
k
i
i
L t
T t
t t



(2.8)
Với
k
i
L

là tổng kích thước của các gói tin nhận được tính từ khi
bắt đầu giám sát (t
0
=0) đến thời điểm t.
Định nghĩa 2.2: Gọi F
i

* Giám sát thời gian trễ (PTD):
PTD của gói tin thứ k của luồng i (p
i
k
) được tính như sau:
( ) ( )
k k
i i i
PTD p now Tsnd p
  (2.15)
Trong đó now là thời điểm Agent 2 nhận được gói tin, Tsnd là
thời gian Agent 1 gửi gói tin đó đi.
* Giám sát tỷ lệ mất gói tin (PLR):
- PLR được Agent 2 tính dựa trên tham số PktSqNo của gói
tin nhận được, cụ thể như sau:
1
( ) ( ) ( )
k k
i i i
LostPkt t PktSeqNo p PktSeqNo p

 
(2.16)
Với
( )
k
i
PktSeqNo p
,
1

~ 13 ~

13

Đối với nút mạng phục vụ n luồng gói tin 1 n, giá trị Tmon
được sử dụng chung cho các luồng được chọn như sau:
i
qmaxSize
2max 2max
i
i i
L
Tmon
r r
 
 
 
 
   
 
 
 
(2.19)
Trong đó
i
L
là kích thước trung bình các gói tin của luồng i,
qmaxSize
i
là kích thước bộ đệm, r

Tốc độ phát (Mbps) 7,62 7,62 7,62
Băng thông (Mbps), được chia
theo trọng số
4 4 2
~ 14 ~

14

Tốc độ giới hạn tối đa (Mbps) 2,5 Không áp
dụng
Không áp
dụng
Khoảng thời gian mô phỏng (s) 0-10 0-10 0-10
Kết quả mô phỏng thông lượng:
Hình 2.16 là kết quả mô phỏng thông lượng. Kết quả mô
phỏng đã chứng minh mục tiêu đặt ra trong chương này đã đạt được,
đó là QoSM giám sát được các tham số như F
QoS
, PLR, tốc độ của
các luồng. Dựa trên tham số QoS giám sát được, QoSM đã thực hiện
hạn chế tốc độ của luồng theo tốc độ tối đa yêu cầu; Luồng 0 bị giới
hạn thông lượng ở 2,5 Mbps. QoSM hoàn toàn co thể áp dụng cho cơ
chế định trình mới sẽ được trình bày trong chương tiếp theo.

1.5
2
2.5
3
3.5
4

SÁT
Trong chương 2, luận án đã đề xuất cơ chế QoSM để thực hiện
giám sát các tham số QoS. Trong chương này, luận án trình bày về
cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ dựa trên các tham số QoS được
giám sát có tên là MQCM (Monitoring-based QoS Control
Mechanism). MQCM có những đặc điểm như sau:
~ 15 ~

15

- Sử dụng cơ chế giám sát QoSM đã đề xuất ở chương 2 để
tính giá trị các tham số QoS.
- Kiểm soát, hạn chế được tốc độ của luồng i theo tốc độ tối đa
M
i
của nó (theo cơ chế RateMon đề xuất ở chương 2).
- Sử dụng một bộ định trình mới có tên là MPWPS (Max-rated
Per-flow Weight-compensation Scheduler) được đề xuất trong luận
án để điều chỉnh trọng số, bù thông lượng để đảm bảo sự công bằng
thông lượng cho các luồng theo trọng số của chúng trong thời gian
dài, ngay cả trong trường hợp chúng bị lỗi và sau đó được phục hồi.
3.2. Mô hình cơ chế MQCM

Hình 3.1. Yêu cầu xử lý n luồng gói tin tại kết nối ra
Phát biểu bài toán: Tại một kết nối đầu ra của nút mạng biên
của khách hàng (CE) băng thông C phục vụ n luồng gói tin (Hình
3.1). Mỗi luồng kết nối phục vụ yêu cầu kết nối cho một dịch vụ của
người sử dụng. Các luồng có trọng số là w
i
(i=1 n), trong đó có một

Hình 3.3. Kiến trúc mô hình MQCM
Để giải quyết bài toán nêu trên, luận án đề xuất cơ chế MQCM
(hình 3.3) gồm thành phần chính là bộ định trình MPWPS mới, được
phát triển dựa trên kiến trúc chung của các bộ định trình (hình 3.2).
So với kiến trúc chung của các bộ định trình, MQCM được bổ sung
thêm các khối Agent, MonQoS, RL, Mon_DB như sau:
- Khối Agent: Có khả năng đọc và chèn thông tin sử dụng để
giám sát gồm Tsnd, PktSqNo. Agent tại nút N1 thực hiện chức năng
chèn thông tin. Agent tại nút N2 thực hiện chức năng đọc thông tin
để chuyển tới khối MonQoS.
~ 17 ~

17

- Khối MonQoS: Nhận giá trị Tsnd, PktSqNo từ Agent để tính
các tham số QoS bằng phương pháp QoSMon, chuyển các tham số
QoS tính được tới bộ điều khiển.
- Khối RL: Giám sát và hạn chế tốc độ bằng cơ chế RateMon.
- Mon_DB: Cơ cở dữ liệu lưu trữ các giá trị tham số QoS.
3.2.5. Bộ điều khiển MPWPS
Bộ định trình mới MPWPS xây dựng dựa trên bộ định trình
WF
2
Q, kế thừa các tính chất của WF
2
Q+ và WF
2
Q-M và có những
đặc điểm mới như sau:
- Cho phép kết hợp cơ chế giám sát QoSMon đã đề xuất ở

3.2.6. Hàm thời gian ảo
MPWPS dùng hàm thời gian ảo V(t) của WF
2
Q+ như sau:
( )
( )
(0) 0; ( ) max{ ( ) ,min{ }}
i
h t
i
i
i B t
L
V V t V t S
C


   
(3.1)
Trong đó L
i
là kích thước gói tin tới, C là băng thông đầu ra,
B(t) là tập các luồng tích cực,
)(th
i
là số tuần tự của gói tin đầu hàng
đợi của luồng i,
)(th
i
i

(3.3)
- Trong đó speedup là giá trị hiệu chỉnh. Trái lại (luồng chưa
bão hòa) ta có:
;
*
i
i i i
i
L
S V F S
w C
  

(3.4)
3.2.8. Hiệu chỉnh trọng số bù thông lượng
* Nhu cầu bù thông lượng
MPWPS sử dụng phương pháp QoSMon tính lại các tham số
QoS sau mỗi khoảng thời gian ngắn Tmon (short-term) và trong toàn
thời gian truyền (long-term). Giá trị hàm
)(tF
QoS
i
của luồng i được
tính theo thông lượng T
i
(t) và trọng số (w
i
) của luồng đó như sau:
( ) ( ) /
i

ci
được tính như sau:
1. Đối với luồng được giảm trọng số để bù:
ci i a
w w w
 
(3.6)
2. Đối với luồng được được bù:
ci i a
w w w
 
(3.7)
3. Đối với các luồng khác:
ci i
w w

(3.8)
Trong đó w
a
(weight adjust value) là giá trị hiệu chỉnh trọng
số. Đặc điểm QCM như sau: 1) Không cần dành trước một phần
băng thông để bù. 2) Không sử dụng cách đếm dung lượng thiếu hụt
cần bù cho luồng bị lỗi, mà thực hiện bù bằng cách tăng trọng số của
luồng có QoS thấp đồng thời giảm trọng số của luồng có QoS cao.
3.2.9. Lựa chọn giá trị hiệu chỉnh trọng số bù QoS
~ 20 ~

20
các luồng.
3.3. Kết quả mô phỏng
Hình 3.13. Sơ đồ mô phỏng MQCM
Sơ đồ trên Hình 3.13 mô tả kết nối mạng của khách hàng giữa
2 chi nhánh, thông qua mạng của nhà cung cấp dịch vụ. Hai nút
mạng n1, n2 của khách hàng được kết nối lần lượt với nút n8 và n9
của nhà cung cấp dịch vụ với băng thông 2Mbps. Kết nối n0, n3, n4
tới n1 và kết nối n2 tới n5, n6, n7 đều bằng 1Mbps. Kết nối giữa các
nút mạng của nhà cung cấp dịch vụ (n8, n9, n10, n11, n12 là
~ 21 ~

21

100Mbps. Thực hiện mô phỏng trong hai trường hợp để so sánh: 1)
Sử dụng WF
2
Q+; 2) Sử dụng MQCM.
+ Nguồn lưu lượng sử dụng để mô phỏng:
Luồng Luồng 0
(S0-R0)
Luồng 1
(S1-R1)
Luồng 2 (S2-
R2)
Kích thước hàng đợi (byte) 15000 15000 15000
Trọng số 0,3 0,3 0,3
Nguồn lưu lượng UDP-CBR UDP-CBR UDP-CBR
Kích thước gói tin (byte) 1000 1000 1000
Khoảng thời gian giữa thời điểm
phát hai gói tin liên tiếp (s)

1. WF
2
Q+
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Thong luong (Mbps)
Thoi gian (s)
Luong 0
Luong 1
Luong 2
2. MQCM
Hình 3.12. Kết quả so sánh thông lượng
1) Với WF
2
Q+: Khi có một luồng bị lỗi, giữa các luồng mất
công bằng theo trọng số. 2) Với MQCM: Khi luồng 0 được phục hồi
sau lỗi, giữa các luồng vẫn đảm bảo công bằng về trọng số.
Kết quả mô phỏng thông lượng cho thấy MQCM đã thực hiện
bù để đảm bảo công bằng về thông lượng cho các luồng theo trọng
số, ngay cả với luồng phục hồi sau lỗi.
~ 22 ~