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

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

Nội.
Phản biện 3: PGS. TS. Đào Tuấn, Viện Khoa học và Công nghệ
Quân sự.




Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông tại: Hội trường tầng 2, Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông, Số 122 đường Hoàng Quốc Việt, Cầu
Giấy, Hà Nội.
Vào lúc: 14h00 ngày 18 tháng 12 năm 2013.






Có thể tìm luận án tại các thư viện:
- Thư viện Quốc gia.
- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.

~ 1 ~

1

MỞ ĐẦU
Đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service) trong
mạng chuyển mạch gói IP liên quan đến: 1) Các cơ chế: Chấp nhận
kết nối, định dạng lưu lượng đầu vào (sharping), định trình

(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.

Ở ngoài nước, nhiều công trình tập trung vào điều khiển QoS
lớp IP như: 1) Điều khiển QoS theo luồng gói tin (IntServ), điều
khiển QoS theo lớp dịch vụ (DiffServ); 2) Các mô hình điều khiển
nhằm mục đích giảm độ phức tạp so với IntServ và tăng khả năng
quản lý theo luồng so với DiffServ như TSFQ, QFQ, WF
2
Q-M,
RFQ. 3) Cơ chế quản lý bộ đệm. 4) Cơ chế định trình (theo lớp, theo
luồng, phân cấp,…). 5) điều khiển luồng tránh tắc nghẽn (trong các
giao thức TCP, UDP, TCP-like,…). 6) Quản lý và bù QoS cho các
luồng gói tin được phục hồi sau lỗi; 7) Giám sát QoS, QoE, SLA
hoặc đảm bảo QoS trong xu hướng hội tụ mạng, dịch vụ.
QoS toàn trình phụ thuộc vào QoS tại mỗi nút mạng, và phụ
thuộc vào việc lựa chọn gói tin của bộ định trình, thời gian trễ và khả
năng mất gói tin tại bộ đệm. Tới nay nhiều nghiên cứu về bộ định
trình cho kết quả khả thi trong việc tăng cường khả năng đảm bảo
QoS trong mạng IP, điển hình là bộ định trình WF2Q+ và các cải
tiến như TSFQ, QFQ, RFQ. Tuy nhiên, qua khảo sát các công trình
trong và ngoài nước cho thấy còn một số tồn tại như sau:
- Cho đến nay vẫn chưa có bộ định trình nào cho phép biết
được trạng thái QoS hiện thời thời có đáp ứng nhu cầu của nhóm
người dùng hay chưa. Vì vậy vấn đề đặt ra là cần giám sát để ước
lượng được giá trị các tham số QoS, từ đó điều khiển bộ định trình
để đạt mức QoS phù hợp hơn.
- Một vấn đề khác cũng chưa được giải quyết thỏa đáng trong
các bộ định trình tới nay, đó là kiểm soát và hạn chế tốc độ tối đa của
~ 3 ~

3

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 ~

4

cần giải quyết, đề xuất mô hình lý thuyết, sử dụng công cụ toán học
để phân tích và thực hiện mô phỏng để đánh giá kết quả mô hình lý
thuyết.

CHƯƠNG 1. VẤN ĐỀ GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN
QOS TRONG MẠNG IP.
1.1. Mạng IP và chất lượng dịch vụ
Chất lượng dịch vụ (QoS): là tập hợp các tác động của hiệu
suất dịch vụ, xác định sự hài lòng của người sử dụng dịch vụ. Chất
lượng dịch vụ trong mạng IP bao gồm các tham số kỹ thuật như:
băng thông, trễ, biến thiên trễ, tỷ lệ mất gói tin.
Hình 1.1 là mô hình mạng IP cung cấp đa dịch vụ. Các dịch vụ
viễn thông và Internet cùng sử dụng giao thức IP. Lưu lượng của các
dịch vụ được truyền tải trên hạ tầng mạng có dây, không dây sử dụng
các công nghệ khác nhau.






Hình 1.1. Mô hình mạng IP cung cấp đa dịch vụ
Mạng IP ban đầu được thiết kế để truyền các gói tin không yêu
cầu cao về QoS, nhưng hiện nay được sử dụng để truyền tải lưu
lượng của các dịch vụ trong đó có dịch vụ yêu cầu cao về QoS như
trên hình 1.1, trong đó có các dịch vụ yêu cầu cao về QoS. Hơn nữa,
do sử dụng các công nghệ khác nhau nên việc đảm bảo QoS toàn
trình trên mạng IP là khó khăn.

~ 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

w



  

(1.6)
Nhãn thời gian bắt đầu
k
i
S
, kết thúc
k
i
F
của luồng i được tính
như sau:


1
max , ( )
k k k
i i WFQ i
S F V a


(1.8)
k
k k
i

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

thời gian kết thúc nhỏ nhất để đưa ra. Theo ví dụ như trên hình 1.8,
gói tin p
2
1
có F
2
1
=4 nhỏ nhất, vì vậy p
2
1
được chọn để chuyển đi.

Hình 1.10. Gán nhãn thời gian và xử lý gói tin trong WFQ
Nhận xét: Các bộ định trình điển hình đã được đề xuất tới nay
vẫn còn một số tồn tại, ví dụ như: 1) Chưa sử dụng user profile để
cấp phát băng thông theo yêu cầu của người dùng. 2) Chưa có giám
sát. 3) Các phương pháp bù thông lượng hiện chưa sử dụng băng
thông hiệu quả hoặc làm ảnh hưởng tới QoS của các luồng khác
trong khi bù. Ngoài ra, ba vấn đề tồn tại chủ yếu như đã nêu ở phần
Mở đầu vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng.
1.3. Cơ chế giám sát QoS
Giám sát để có thể biết tình trạng cung cấp QoS để có điều
chỉnh phù hợp. Một số cơ chế giám sát điển hình như sau:
- Giám sát trạng thái kênh bằng mô hình Markov hai trạng
thái: ước lượng trạng thái tiếp theo từ trạng thái trước đó.
- Dựa theo phương pháp EWMA, thời gian trễ (RTT-Round
Trip Time) trung bình tại một thời điểm được ước lượng dựa trên
một số lượng nhất định các gói tin được truyền đi:

1 1

* (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
C
t t


(1.26)
Trong đó t
1
0
, t
1
1
lần lượt là thời điểm gói tin 0, gói tin 1 đến
nút mạng thứ nhất; t
h
0
, t
h
1
lần lượt là thời điểm gói tin 0, gói tin 1 đến
nút mạng cuối cùng; C
b,j
là băng thông của kết nối cổ chai j.
0
1
1
1
tt 
hj
C

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

cao. 4) Có hiệu suất cao đảm bảo việc gửi báo cáo vi phạm QoS kịp
thời. 5) Mềm dẻo, khả năng mở rộng: Đáp ứng yêu cầu giám sát
nhiều luồng dữ liệu với yêu cầu QoS khác nhau đồng thời.
2.3. Mô hình giám sát QoSM:

Hình 2.3. Mô hình QoSM
Luận án đề xuất cơ chế QoSM để thu thập, lưu trữ, đánh giá
các tham số QoS tại nút biên mạng theo luồng tin (Hình 2.3) gồm các
thành phần: User profile lưu các thông tin về QoS cần đáp ứng, các
Agent đo và thu thập dữ liệu; chức năng lọc và lưu trữ dữ liệu đo
được; chức năng phân tích và tính các tham số QoS. Mục đích của
QoSM là giám sát và đánh giá trạng thái QoS đối với một số luồng
~ 9 ~

9

kết nối từ CE1 (thiết bị biên mạng tại điểm 1) tới CE2 (thiết bị biên
mạng tại điểm 2). Chức năng các thành phần như sau:
Agent là gắn với thiết bị biên mạng của khách hàng. Agent
thực hiện đồng thời giám sát thụ động và đo chủ động. Khối Phân
tích online lựa chọn thông tin đo được để lưu trữ, phân tích so sánh,
tìm mối tương quan giữa dữ liệu thu được từ các Agent. Khối phân
tích offline thực hiện phân tích dữ liệu được trữ và yêu cầu QoS của
người dùng, đánh giá các tham số QoS (băng thông, trễ, packet lost).
Để có thể triển khai mô hình QoSM, cần có các cơ chế giám
sát các tham số QoS cụ thể. Trong các phần tiếp theo, luận án sẽ đề
xuất một số phương pháp giám sát đối với một số tham số QoS cụ
thể, phù hợp với mô hình QoSM đã đề xuất và phù hợp với việc tích
hợp vào bộ định trình như sẽ trình bày trong chương 3.
2.4. Phương pháp giám sát, hạn chế tốc độ.

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



(2.6)
* Đề xuất phương pháp ước lượng tốc độ trung bình theo
các khoảng thời gian ngắn PAE:
Tốc độ trung bình trong khoảng Tmon được tính như sau:
1
/
l
Tmon j
i i
j
rate L Tmon



(2.4)
Trong đó
j
i
L
là kích thước gói tin thứ j của luồng i;
Tmon
i
rate
là
tốc độ trung bình của luồng i trong khoảng thời gian Tmon.
Để hạn chế tốc độ của luồng i, trước khi chuyển mỗi gói tin
của nó đi, ta kiểm tra tốc độ trung bình:
1 1
. (1 ).
k Tmon k

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

QoS
).

Hình 2.9. Phương pháp giám sát QoS phối hợp 2 nút mạng
* Hàm QoS:
Việc đưa ra một hàm QoS phản ánh mức độ chất lượng dịch
vụ là khó do tính phức tạp, sự liên quan giữa các tham số QoS. Tuy
nhiên, thông lượng theo trọng số có thể dùng để biểu diễn mức độ
đáp ứng dịch vụ cho một luồng tin, dùng cho cơ chế bù thông lượng.
Định nghĩa 2.1: Gọi )(tF
i
QoS
là hàm chất lượng dịch vụ của
luồng i tại thời điểm t như sau:
i
i
QoS
i
w
tT
tF
)(
)( 
(2.7)
Trong đó: w
i
là trọng số của luồng i;
)(tT
i
là thông lượng

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

QoSTmon
(t) là hàm chất lượng của luồng i
tại thời điểm t, với t thuộc khoảng [t
1
, t
2
] như sau:


2 1
( ) ( ) ( ) /
i
QoSTmon i i i
F t T t T t w
 
(2.14)
Trong đó w
i
là trọng số, T
i
(t) là thông lượng của luồng i tại
thời điểm t (với t Є[t
1
, t
2
]; Tmon = t
2
-t
1
).

* 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

( )
k
i
PktSeqNo p

lần lượt là số thứ tự của
gói tin nhận được tại thời điểm t, và thời điểm trước đó.
Tỷ lệ mất gói tin được tính như sau:
)(
)(
)(
tTotalPkt
tLostPkt
tPLR
i
i
i

(2.17)
Với
)(tLostPkt
i
,
)(tTotalPkt
i
lần lượt là số lượng gói tin bị
mất và tổng số gói tin nhận được của luồng i tính đến thời điểm t.
Trong cách tính này, ta giả thiết các gói tin đến trạm đích theo đúng
thứ tự phát ở trạm nguồn.
* Thời gian giám sát Tmon:

~ 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

i
là tốc độ của luồng i.

2.5. Kết quả mô phỏng
Như đã nêu ở các phần trên, cơ chế định trình WF
2
Q+ là cơ
chế điển hình có nhiều ưu điểm và đã được triển khai rộng rãi. Do
đó, luận án thực hiện triển khai cơ chế mới trên nền giải thuật
WF
2
Q+ và mô phỏng so sánh hai cơ chế này để minh chứng, đánh
giá ưu điểm của cơ chế mới so với WF
2
Q+.
Hình 2.14. Sơ đồ mô phỏng giám sát
Nguồn lưu lượng
Bảng 2.2. Tham số của các luồng mô phỏng giám sát
Luồng Flow 0 Flow 1 Flow 2
Kích thước hàng đợi (byte) 15000 15000 15000
Trọng số 0,4 0,4 0,2
Nguồn lưu lượng UDP-CBR+
mô hình lỗi 2
UDP-CBR+
mô hình lỗi 1
UDP-CBR
Kích thước gói tin (byte) 1000 1000 1000
Khoảng thời gian giữa thời
điểm phát 2 gói tin liên tiếp (s)
0,001 0,001 0,001

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

4.5
5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Thong luong (Mbps)
Thoi gian (s)
Luong 0
Luong 1
Luong 2
1. WF
2
Q+
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Thong luong (M bps)
Thoi gian (s)
Luong 0
Luong 1
Luong 2
2. QoSM
Hình 2.16. Kết quả mô phỏng thông lượng

CHƯƠNG 3. CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ DỰA TRÊN CÁC THAM SỐ ĐƯỢC GIÁM

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

số luồng cần hạn chế tốc độ tối đa là M
i
(với luồng i không hạn chế
tốc độ, M
i
=0). Vấn đề đặt ra như sau:
1) Trên cơ sở các tham số QoS đã giám sát được thông qua các
cơ chế giám sát đã trình bày trong chương 2, cơ chế điều khiển QoS
cần hạn chế tốc độ của các luồng theo tốc độ tối đa M
i
.
2) Phục vụ các luồng công bằng theo trọng số của chúng (trừ
luồng có M
i
>0) kể cả khi một luồng bị lỗi sau đó phục hồi.
~ 16 ~

16

3) Bù thông lượng cho các luồng tin bị mất dịch vụ trong quá
khứ (ngắn hạn) do lỗi kênh hoạch lỗi truyền tin trong khoảng thời
gian ngắn trước đó nhằm đảm bảo công bằng thông lượng dài hạn.

Hình 3.2. Kiến trúc chung của các bộ định trình
PAE
i
rate
PAE
i
rate

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

chương 2.
- Kiểm soát, hạn chế được tốc độ tối đa của luồng tin theo các
giá trị đặt trước M
i
. MPWPS sử dụng phương pháp RateMon để giám
sát, hạn chế tốc độ.
- Giám sát thông lượng, mức độ công bằng thông lượng dài
hạn theo trọng số thông qua hàm F
QoS
, thời gian trễ, tỷ lệ mất gói tin
của các luồng tin.
- Thực hiện bù thông lượng: Sau khi luồng dữ liệu gặp lỗi
được khôi phục, luồng đó được bù để đảm bảo công bằng thông
lượng với các luồng khác theo trọng số của chúng trong dài hạn (trừ
các luồng có yêu cầu hạn chế tốc độ tối đa).
Để đạt được điều đó, bộ điều khiển MPWPS dựa trên giá trị
QoS trong cơ sở dữ liệu giám sát (Mon_DB) thực hiện hai chức năng
chính như sau:
- Kiểm soát tốc độ thông qua giám sát và điều khiển khối RL
hạn chế tốc độ tối đa của luồng có M
i
>0.
- Điều chỉnh tăng, giảm trọng số của các luồng trong các
khoảng thời gian Tmon để thực hiện bù thông lượng cho luồng tin,
~ 18 ~

18

đảm bảo cấp phát băng thông đầu ra cho các luồng công bằng theo
trọng số của chúng.

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

S
là thời gian ảo bắt đầu xử lý gói tin đó.

3.2.7. Gán nhãn thời gian cho gói tin
MPWPS dùng phương pháp gán nhãn thời gian của WF
2
Q-M,
nhãn thời gian bắt đầu S
i
, kết thúc F
i
của luồng i được tính như sau:
- Nếu luồng bão hòa, tức là tốc độ cấp phát theo trọng số lớn
hơn tốc độ tối đa (M
i
>0 và w
i
*C>M
i
) thì ta có:
;
*
i
i i i
i
L
S V F S
M speedup
  

(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

QoS i i
F t T t w

(3.5)
~ 19 ~

19

- Giá trị của F
QoS
được xét trong Tmon để tìm ra luồng có QoS
tốt nhất trong khoảng thời gian vừa giám sát.
- Giá trị của F
QoS
được xét trong thời gian truyền để tìm ra
luồng có QoS bị suy giảm cần bù F
QoS
.
* Phương pháp bù QCM
Các công trình trước đây sử dụng phương pháp bù như sau: 1)
Dành sẵn một phần băng thông cho mục đích bù; 2) Ép buộc các
luồng tin khác nhường lại một phần băng thông để bù. Nếu chọn
phương án 1, khi không có luồng nào cần bù, băng thông dành sẵn
không được sử dụng gây lãng phí tài nguyên. Nếu chọn phương án 2
mà không có giám sát cụ thể, việc bù có thể ảnh hưởng nhiều đến
QoS của các luồng tin khác.
- Luận án đề xuất nguyên tắc bù QCM (QoS Compensation
mechanism): 1) Giám sát để biết luồng có QoS tốt nhất và kém nhất;
2) giảm trọng số của luồng tốt nhất để bù cho luồng có thông lượng
kém nhất. Giá trị trọng số w

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

Yêu cầu:
- Thời gian bù T
c
ngắn.
- Biến thiên thông lượng của các
luồng nhỏ

Giải pháp đề xuất:
Sử dụng mô hình PID để
chọn khoảng giá trị hiệu
chỉnh trọng số w
a

Giá trị w
a
tại chu kỳ giám sát thứ ξ+1 được tính như sau:
min max
0 ( 1) 4
a
w
w w

  
(3.24)
Trong đó w
min
, w
max
lần lượt là trọng số nhỏ nhất, lớn nhất của

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)

0,008 0,008 0,008
Tốc độ phát (Mbps) 0,954 0,954 0,954
Mô hình lỗi
= 0, t

[0,6s;1,6s]
Không áp dụng Không áp dụng
Băng thông (Mbps), được chia sẻ
theo trọng số
0,67 0,67 0,67
Tốc độ giới hạn tối đa (Mbps) Không áp dụng Không áp dụng 0,3
Khoảng thời gian mô phỏng (s) 0-10 0-10 0-10
Kết quả mô phỏng: Thông lượng
Kết quả mô phỏng thông lượng nêu trong Hình 3.12:
0.1
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

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 ~

22


CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG CƠ CHẾ GIÁM SÁT,
ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ DỰA TRÊN
CÁC THAM SỐ ĐƯỢC GIÁM SÁT VÀO MÔ HÌNH
QoS DOWNLOAD GATEWAY.
Mô hình download server hiện nay còn tồn tại: 1) Chưa hạn
chế tốc độ tải file theo profile của ứng dụng. 2) Chưa có cơ chế bù
QoS cho ứng dụng sau khi lỗi kết nối được phục hồi. Để giải quyết
các vấn đề này, luận án áp dụng cơ chế QoSM (chương 2), MQCM
(chương 3) vào mô hình QoS Download Gateway (Hình 4.3): 1) Xử
lý các yêu cầu tải file của người sử dụng bao gồm điều khiển chấp
nhận yêu cầu và định trình chọn yêu cầu để xử lý. 2) Xử lý các phiên
tải file gồm phân loại gói tin và điêu khiển tốc độ tải file. Các cơ chế
QoSM, MQCM được ứng dụng vào việc xử lý các phiên download.
4.2. Mô hình QoS Download Gateway

Hình 4.3. Mô hình QoS download Gateway
4.2.1. Xử lý các yêu cầu tải file

Hình 4.4. Xử lý các yêu cầu download