i

LỜI CẢM ƠN
Luận án tiến sĩ này được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
thông, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Chiến Trinh và TS. Bùi Thị
Minh Tú. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo hướng
dẫn về những định hướng nghiên cứu, hướng dẫn khoa học và phương pháp luận
nghiên cứu khoa học, cùng với đó là những kiến thức, kinh nghiệm trong suốt quá
trình nghiên cứu và thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh cũng xin cám ơn các thầy
giáo PGS. TS. Bùi Trung Hiếu, PGS. TS. Nguyễn Tiến Ban, PSG. TS. Nguyễn Văn
Tuấn và các thầy giáo trong Học viện đã giúp đỡ, động viên, đóng góp những ý kiến
quý báu để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu
chính Viễn thông, Hội đồng Tiến sĩ của Học viện và Khoa Quốc tế và Đào tạo Sau
đại học đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viễn thông Đà Nẵng đã tạo
điều kiện cho nghiên cứu sinh tham gia khóa đào tạo và quan tâm, động viên, tạo
điều kiện trong công việc để nghiên cứu sinh có thể hoàn thành luận án.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, bạn bè thân hữu
đã khích lệ, động viên trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới những người thân trong gia
đình và những bạn bè thân thiết đã luôn luôn khích lệ, động viên, cảm thông, chia sẻ
và hết lòng tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu để
hoàn thành luận án.
Hà Nội, ngày

tháng
Tác giả

Trần Minh Anh

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .........................................................................................vi
DANH MỤC KÝ HIỆU .............................................................................................. x
DANH MỤC HÌNH VẼ ...........................................................................................xiv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... xvii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
TRONG MẠNG VIỄN THÔNG ................................................................................7
1.1

Tổng quan yêu cầu về QoS trên mạng viễn thông ....................................7

1.1.1 Giới thiệu: .....................................................................................................7
1.1.2 Các thông số QoS: ......................................................................................... 8
1.1.3 Xây dựng các ràng buộc liên quan đến đảm bảo chất lượng dịch vụ .........11
1.1.4 Vấn đề đảm bảo QoS khi mạng viễn thông phát triển mạnh mẽ trong giai
đoạn hiện nay .......................................................................................................15
1.1.4.1 Tổng quan................................................................................................ 15
1.1.4.2 Định hướng cấu trúc mạng và yêu cầu đảm bảo QoS trên mạng viễn
thông trong thời gian tới .................................................................................... 16
1.2

Kỹ thuật định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ ...................................18

1.2.1 Tổng quan: ...................................................................................................18
1.2.2 Định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin toàn cục .....................................21
1.2.3 Định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin nội bộ .........................................29
1.3


độ trễ làm tiêu chuẩn chọn đường .......................................................................54
3.3.1. Giới thiệu.................................................................................................54
3.3.2. Mô tả giải thuật RBDA ...........................................................................54
3.3.3. Mô phỏng đánh giá hiệu năng giải thuật định tuyến RBDA...................57
3.3.4. Mô tả giải thuật BQRA ...........................................................................63
3.3.5. Mô phỏng đánh giá hiệu năng giải thuật định tuyến BQRA...................64
3.4 Đề xuất giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ sử dụng nhiều thông số
QoS làm tiêu chuẩn chọn đường .........................................................................69
3.4.1

Giới thiệu: ............................................................................................... 69

3.4.2

Mô tả giải thuật BDER: ..........................................................................69

3.4.3

Mô phỏng đánh giá hiệu năng giải thuật định tuyến BDER ...................72

3.5 Độ phức tạp tính toán của các giải thuật ..................................................... 78
3.6 Kết luận chương .......................................................................................... 79
CHƯƠNG 4ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG CHO GIẢI
THUẬT ĐỊNH TUYẾN DÙNG THÔNG TIN NỘI BỘ ..........................................80
4.1. Mở đầu.........................................................................................................80
4.2. Đề xuất tập tuyến truyền linh động cho giải thuật định tuyến dùng TTNB 81
4.2.1. Giới thiệu................................................................................................. 81


v

Hướng phát triển tiếp theo.........................................................................115

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ...........................117
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................120
PHỤ LỤC . ..............................................................................................................130


vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

3G

Third Generation mobile
telecommunications

Mạng di động thế hệ thứ 3

4G

Fourth Generation mobile
telecommunications

Mạng di động thế hệ thứ 4


Giải thuật định tuyến dựa trên băng
Bandwidth-Delaythông - độ trễ- tỷ lệ lỗi gói tin
Packeterrorrate
Bellman-Ford algorithm

Tên của thuật toán tìm đường ngắn
nhất mô tả tại [25]

Bandwidth-Delay Constraint
QoS Routing Algorithm

(Tên của giải thuật đề xuất)

BRB

Best Reserved Bandwidth

Dự trữ băng thông tốt nhất

BW

Bandwidth

Băng thông

Compound Annual Growth
Rate

Tốc độ tăng hàng năm tổng hợp



Dynamic Path Set

Tập tuyến truyền linh động

BellmanFord
BQRA

CAGR


vii

Unit of Exabyte

Đơn vị tính lưu lượng, bằng 1 triệu
Gigabyte.

FBP

Flow Blocking Probability

Xác suất nghẽn luồng

FMC

Fixed Mobile Convergence

Hệ thống hội tụ di động – cố định


Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

ITU_T

ITU Telecommunication
Standardization Sector

Liên minh viễn thông quốc tế - lĩnh
vực tiêu chuẩn hóa viễn thông

Jitter of Delay

Độ trôi trễ

Jain’s Index

Chỉ số Jain, để tính độ cân bằng tải
trên mạng mô tả tại [72]

LBCR

Localized BandwidthConstraint Routing

(Tên của giải thuật đề xuất)

LBHR

Localized Bandwidthconstraint Hop-by-hop


Mạng đô thị

exabyte

Full HD
HD
HLABH
Hop, minhop
IP
IPTV

jitter
Jain’s Index


viii

MANET

Mobile Ad Hoc Network

Mạng các thiết bị di động kết nối
không dây liên tục tự cấu hình, và
không có hạ tầng mạng

MHA

Minimum Hop Algorithm



Objective Modular Network
Testbed in C++

Chương trình mô phỏng
OMNET++

OMNET++
OPNET

OPNET Simulation Program Chương trình mô phỏng OPNET
Open Shortest Path First

Giao thức định tuyến chọn đường
ngắn nhất

PSR

Proportional Sticky Routing

Giải thuật định tuyến phân chia tỷ
lệ chặt

QoS

Quality Of Service

Chất lượng dịch vụ

QoSR


SPS

Static path set

Tập tuyến truyền tĩnh

SWP

Shortest Widest Path

Giải thuật định tuyến chọn đường
rộng nhất ngắn nhất

TTNB

(local information)

Thông tin nội bộ

TTTC

(glabal information)

Thông tin toàn cục

OSPF

SONET


WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

WSP

Widest Shortest Path

Giải thuật định tuyến chọn đường
ngắn nhất rộng nhất

World Wide Web

Mạng toàn cầu (dùng giao thức
http)

Unit of Zettabyte

Đơn vị tính lưu lượng, bằng 1 tỷ
Gigabyte

uniform

Tổng số lần truyền hỏng/từ chối truyền luồng tin trên tuyến
truyền giữa nút nguồn với nút đích (trong giải thuật BQRA)
Giá trị trung bình băng thông khả dụng theo số kết nối

Bm

Trung bình băng thông toàn mạng

Bt

Băng thông yêu cầu của yêu cầu định tuyến

bw

Giá trị băng thông trung bình yêu cầu bởi một luồng dữ liệu

BFi

Bw(a,b)

Băng thông còn lại của liên kết (a,b)

Bw(P)

Băng thông còn lại của cả tuyến truyền P

Bwab
C
Ci, Last Ci


Chỉ số luồng tin dùng trong giải thuật LDRA


xi
Ký hiệu
g(x)
G(N,L)

Ý nghĩa
Hàm ràng buộc trọng số
Mạng G có N nút và L liên kết.

h

Độ dài trung bình của một tuyến truyền trên mạng

i, j, (i,j)

Các nút mạng i, j; liên kết giữa hai nút mạng i và j

k

Số tuyến truyền ngắn nhất giữa hai nút X, Z

K

Tập các nút liền kề

|K|


Giá trị băng thông bé nhất của tuyến truyền v trong tập Vd
Số bước nhảy ngắn nhất giữa hai nút mạng i và j

n

Số bước nhảy tối đa trong tập tuyến truyền từ nút X đến nút Z

N

Số nút trên mạng, tập hợp số nút trên mạng.

Ndi
Ni

Yêu cầu băng thông tại các nút mạng trên mạng G(N,L)
Tổng số luồng tin truyền trên tuyến truyền giữa cặp nút nguồn
và đích trong giải thuật RBDA

ni

Nút trung gian (từ 1 đến s) trên tuyến truyền P

P

Tuyến truyền từ nút đầu đến nút đích

P.Credits
P.Quality
PER


R

Tập tuyến truyền

|R|

Số tuyến truyền thuộc tập R

Ralt

Tập các tuyến truyền thay thế

Reli

Tập các tuyến truyền khả dụng trong giải thuật PSR

resBwij

Băng thông còn lại trên liên kết ij

Rmin

Tập các tuyến truyền ngắn nhất

Rmin+1

Tập tuyến truyền trong giải thuật HLABH

RQ



Lượng chịu tải tại nút X

u, u(a,b), u(P)

Giá trị thông số QoS của liên kết (a,b), của cả tuyến truyền P

u1,u2...un

Ký hiệu các giá trị ràng buộc (thông số QoS) tại nút u

v1,v2...vn

Ký hiệu các giá trị ràng buộc (thông số QoS) tại nút v

v

Số tuyến truyền trong tập tuyến truyền giữa hai nút mạng

Vd

Tập các tuyến truyền có độ sâu kết nối d


xiii
Ký hiệu
Vkd
X, Y, Z

Ý nghĩa


μ

Thời gian duy trì của mỗi dữ liệu theo quy luật hàm mũ

ρ

Tải thông tin trung bình toàn mạng


xiv

DANH MỤC HÌNH VẼ

Tên hình

Trang

Hình 1.1 Dự báo lượng thông tin trên mạng đến năm 2019 -Nguồn [27]

7

Hình 1.2 Xây dựng thủ tục so sánh tuần tự

13

Hình 1.3 Thủ tục so sánh tuần tự hai thông số QoS

14



57

Hình 3.3 Các mạng mô phỏng có 32 nút (ISP1) và 18 nút (ISP2)

59

Hình 3.4 Xác suất nghẽn luồng trên ISP1

59

Hình 3.5 Xác suất nghẽn băng thông trên ISP1

60

Hình 3.6 Giá trị trễ đầu cuối trung bình khi thay đổi tải

61

Hình 3.7 Xác suất nghẽn luồng trên ISP2

61

Hình 3.8 Giá trị trễ đầu cuối trung bình khi tải cao và thấp trên ISP2

62

Hình 3.9 Các mạng mô phỏng có 18 nút (ISP2) và 9 nút (ISP3)

65


Hình 3.17 Xác suất nghẽn luồng trên ISP1

74

Hình 3.18 Giá trị trễ đầu cuối trung bình khi tải  = 0,8

75

Hình 3.19 Xác suất nghẽn luồng

76

Hình 3.20 Giá trị trễ đầu cuối trung bình khi tải  = 0,8

77

Hình 3.21 Ảnh hưởng của lưu lượng truyền loạt

78

Hình 4.1 Mạng mô phỏng ISP1

85

Hình 4.2 Xác suất nghẽn luồng

87

Hình 4.3 Xác suất nghẽn băng thông


Hình 4.11 Chứng minh điểm 2 của định lý 4.3

94

Hình 4.12 Lưu đồ hoạt động của LBHR

97

Hình 4.13 Mạng mô phỏng ISP1 có 32 nút mạng

98

Hình 4.14 Xác suất nghẽn luồng

99

Hình 4.15 Xác suất nghẽn băng thông

100

Hình 4.16 Chứng minh định lý 4.5

102

Hình 4.17 Lưu đồ hoạt động của LDRA

105

Hình 4.18 Mạng mô phỏng ISP1 với 32 nút


136

Hình PL.4. Mạng mô phỏng 1

139

Hình PL.5. Mạng mô phỏng 2

140

Hình PL.6. So sánh thông số trễ toàn mạng

140

Hình PL.7. So sánh lưu lượng nhận toàn mạng

141

Hình PL.8. So sánh thông số trễ nội bộ các nút

141


xvii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Tên bảng

Trang


136

Bảng PL.5. Ma trận kết nối 5

137

Bảng PL.6. Ma trận kết nối 6

137


1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề - Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, công nghệ viễn thông đã và đang phát triển nhanh chóng và đã trở
thành nền tảng phát triển của xã hội; các công nghệ, kỹ thuật mới liên tục ra đời để
đáp ứng các nhu cầu lưu lượng dữ liệu tăng mạnh do bùng nổ các loại hình dịch vụ
viễn thông và các dịch vụ băng rộng nhằm đáp ứng nhu cầu của mọi lĩnh vực của xã
hội. Sự tăng trưởng bùng nổ của lưu lượng dữ liệuđó đã làm cho việc đảm bảo chất
lượng cho các dịch vụ cung cấp trên mạng viễn thông càng trở nên quan trọng,
trong bối cảnh các dịch vụ viễn thông mới, yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng ngày
càng cao. Trong đó, việc chọn tuyến truyền từ nguồn dữ liệu đến nơi sử dụng đủ
đáp ứng yêu cầu chất lượng của dịch vụ, đặc biệt là với các dịch vụ cần chất lượng
tuyến truyền cao, chính là bài toán cần giải quyết hiện nay, trong bối cảnh mạng
viễn thông đang phát triển ngày càng mạnh mẽ.
Do đó, việc giải quyết vấn đề về đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cung cấp
trên mạng mang ý nghĩa thực tiễn, đồng thời mang tính học thuật cao. Để thực hiện
tốt yêu cầu này, việc xây dựng các giải pháp mới, giải thuật định tuyến mới trên cơ

ứng dụng trên mạng viễn thông hiện nay. Đó là giải pháp nhằm tối ưu hóa việc chọn
đường, và đề xuất giải bài toán định tuyến trong mạng viễn thông hiện nay với các
giải thuật rất phổ biến nhưgiải thuật định tuyến chọn đường ngắn nhất rộng nhất
(WSP - Widest Shortest Path), giải thuật định tuyến chọn đường rộng nhất ngắn
nhất (SWP - Shortest Widest Path), giải thuật dùng tuyến truyền ngắn nhất (SDP Shortest-distance path) … Bên cạnh đó, việc đề xuất và giải bài toán QoS trên mạng
nội vùng, liên vùng, và mạng WAN-MAN, MANET cũng được nghiên cứu và đề
xuất tại [17], [86], [104].
Đối với các mạng như: Mạng các thông tin không chính xác, không xác định
... việc nghiên cứu giải thuật định tuyến đảm bảo QoS cũng được đề xuất tại [13],
[28], [61], [63], [69], [102]. Các thông số như : thông tin không chính xác, thông số
không xác định là các thông số đầu vào quan trọng để đề xuất các mô hình định
tuyến QoS mới, ứng dụng trong các mạng đặc thù, nơi mà các thông tin đến với các
nút mạng không đầy đủ, không trọn vẹn.


3

Các đề xuất khác liên quan đến giải thuật định tuyến đảm bảo QoS đề xuất tại
[30], [31], [39], [42], [53], [57], [59], [66],[71], [74], [88], [89], [99], [110] ... cũng
là các cách mà các nhà nghiên cứu đi sâu vào phân tích các khía cạnh còn chưa
được nghiên cứu trong việc mở rộng mô hình mạng, nhằm đáp ứng với một xã hội
thông tin ngày càng mở rộng cũng như các giải pháp công nghệ ứng dụng trong việc
tìm và xây dựng giải thuật mới cho định tuyến đảm bảo QoS. Đặc biệt, các hướng
nghiên cứu về định tuyến đảm bảo QoS dùng thông tin nội bộ (TTNB) như tại [35],
[36], [91], [97], [108] … đã được nghiên cứu nhiều hiện nay và hứa hẹn đem lại
hiệu quả cao trong định tuyến đảm bảo QoS trong thời gian tới. Ngoài ra, các
nghiên cứu mô phỏng luồng dữ liệu cũng được nghiên cứu nhiều tại các nghiên cứu
[11], [34], [43], [68], [103] để đánh giá hiệu năng định tuyến. Các giải thuật định
tuyến nêu trên sẽ được khảo sát kỹ hơn ở các phần sau của Luận án, làm cơ sở cho
các đề xuất mới của Luận án.

cứu của luận án. Trong đó, việc đầu tiên là nghiên cứu tổng quan về QoS trên mạng
viễn thông, về định tuyến đảm bảo QoS và về các phương pháp đánh giá mạng viễn
thông dựa trên việc tính toán các tham số QoS. Từ đó, đề xuất các mô hình, giải
thuật định tuyến mới, cùng các biện pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của các giải
thuật định tuyến đã đề xuất, để xây dựng mô hình, giải thuật định tuyến hiệu quả tốt
nhất.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Luận án nghiên cứu các công trình liên quan để nắm bắt tổng quan về các vấn
đề cần đạt được như đã nêu trong phần mục tiêu nghiên cứu. Từ những vấn đề còn
tồn tại, luận án lựa chọn trọng tâm nghiên cứu, những vấn đề cần giải quyết như:
- Xây dựng các giải thuật, mô hình định tuyến mới đảm bảo chất lượng dịch
vụ trên mạng viễn thông, được đánh giá, khảo nghiệm bằng các công cụ mô phỏng.
- Nghiên cứu các hạn chế của các giải thuật hiện tại, các yêu cầu của mạng
viễn thông trong giai đoạn phát triển hiện nay, từ đó có các so sánh và đề xuất các
giải pháp khắc phục.
- Đề xuất xây dựng các công cụ và tiêu chí đánh giá hiệu năng mạng, hiệu
năng của giải thuật định tuyến để hỗ trợ cho việc đánh giá giải thuật định tuyến, so
sánh các giải thuật định tuyến.


5

Luận án nghiên cứu và ứng dụng các công cụ mô phỏng như OMNeT++ [22],
OPNET [64] …, các công cụ về lý thuyết trong xây dựng và tính toán mô hình [3]
để đánh giá kết quả thực hiện, đánh giá các giải thuật đề xuất.
5. Các đóng góp của luận án
Các đóng góp chính của luận án như sau:
- Đề xuất các giải thuật định tuyến mới trong đó sử dụng thông tin nội bộ làm
cơ sở, và sử dụng các thông số QoS làm tiêu chuẩn chọn đường. Các kết quả nghiên
cứu được công bố trong các công trình [A.7], [A.8], [A.10], và các nghiên cứu trong

giải thuật định tuyến, trong đó đề xuất hệ số đánh giá cân bằng tải mạng làm cơ sở
cho việc đánh giá hiệu năng của các giải thuật định tuyến, nhất là các giải thuật định
tuyến được đề xuất trong luận án. Đồng thời, chương này cũng đề cập các phương
pháp mô phỏng và các mô hình mạng được sử dụng trong luận án.
Chương 3: Đề xuất các giải thuật định tuyến dùng TTNB, trong đó sử dụng
các thông số QoS làm tiêu chuẩn chọn đường. Các công trình này đã khắc phục
được một số nhược điểm của các giải thuật định tuyến đã được nghiên cứu trong
phần trước.
Chương 4: Đề xuất các biện pháp cải thiện hiệu năng cho giải thuật định tuyến
dùng TTNB, trong đó có đề xuất tập tuyến truyền linh động ứng dụng cho giải thuật
định tuyến dùng TTNB, cùng với đề xuất giải thuật định tuyến dùngTTNB ứng
dụng kiểu định tuyến phân tán. Đề xuất nâng cao hiệu năng của dạng giải thuật này
qua cơ chế điều khiển định tuyến linh hoạt, ứng dụng tốt trong giải thuật định tuyến
dùng kiểu định tuyến phân tán.
Cuối cùng là phần Kết luận và hướng phát triển tiếp theo.


7

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH
VỤ TRONG MẠNG VIỄN THÔNG
Tổng quan yêu cầu về QoS trên mạng viễn thông

1.1

Giới thiệu:

1.1.1


ứng dụng với các đặc tính lưu lượng và các yêu cầu QoS khác nhau trở nên phức tạp
hơn, bên cạnh các vấn đề khác như cấp phát tài nguyên, cân bằng tải mạng, điều
khiển tắc nghẽn... Các vấn đề này cần được xem xét toàn diện nhằm đảm bảo QoS
cho dịch vụ trong môi trường mạng không đồng nhất, kết hợp nhiều công nghệ khác
nhau và sự tương tác giữa các kiến trúc QoS khác nhau trên đường kết nối từ đầu
cuối đến đầu cuối, từ nơi cung cấp dịch vụ đến nơi sử dụng dịch vụ.
1.1.2

Các thông số QoS:
Về các thông số QoS: Có nhiều định nghĩa về QoS như của Cisco [26]: QoS

tham chiếu đến khả năng của mạng truyền dữ liệu nhằm đảm bảo cung cấp dịch vụ
tốt hơn cho lưu lượng mạng được lựa chọn trên nền các công nghệ lớp truyền dẫn
như Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (ATM), Ethernet và 802.1
networks, SONET, và với mạng IP ... Hay QoS chính là tập hợp các công nghệ
mạng cho phép các ứng dụng yêu cầu và nhận các mức dịch vụ theo các kiểu lưu
lượng dữ liệu, băng thông, độ trễ … Còn theo ITU-T [45] thì QoS là tổng hòa các
đặc tính của một dịch vụ viễn thông liên quan tới khả năng của nó có thể thỏa mãn
yêu cầu được quy định trước của người dùng dịch vụ đó. Các đặc tính như: Độ
chính xác, tốc độ xử lý, độ khả dụng, độ sẵn sàng, độ tin cậy và tính đơn giản của
dịch vụ. Vì thế, QoS chính là sự kết hợp các yếu tố chất lượng tương ứng với tất cả
các dịch vụ như: hỗ trợ dịch vụ, thi hành dịch vụ, ảnh hưởng dịch vụ, duy trì dịch
vụ, bảo toàn dịch vụ và an toàn dịch vụ.