NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MẠNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN

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

năm 2018


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án “Nghiên cứu các giải pháp đảm bảo chất lượng
mạng sử dụng kỹ thuật định tuyến” là công trình nghiên cứu của tôi, ngoài những
kiến thức tham khảo từ các tài liệu nghiên cứu liên quan đã được chỉ rõ trong danh
mục tài liệu tham khảo ở phần sau của luận án.
Những đóng góp của luận án là kết quả nghiên cứu của tác giả, một phần đã
được công bố trên các tạp chí, kỷ yếu của các hội nghị khoa học chuyên ngành,
phần còn lại chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày

tháng
Tác giả

Trần Minh Anh

năm 2018


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i

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

Các vấn đề cần nghiên cứu về định tuyến QoS dùng TTNB ..................38

1.4

Kết luận chương ...................................................................................... 39

CHƯƠNG 2CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIẢI THUẬT
ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG..................................................................................41
2.1 Mở đầu.........................................................................................................41
2.2 Phần mềm ứng dụng để mô phỏng mạng .................................................... 42
2.3 Các tiêu chí đánh giá ...................................................................................44
2.3.1 Xác suất nghẽn ........................................................................................... 41


iv
2.3.2 Độ trễ đầu cuối – đầu cuối .......................................................................425
2.3.3 Cân bằng tải ..............................................................................................445
2.4 Xây dựng các hệ số đánh giá cân bằng tải mạng ........................................46
2.4.1 Đề xuất hệ số DBM: .................................................................................... 46
2.4.2 Khả năng ứng dụng hệ số DBM trong việc đánh giá cân bằng tải và chất
lượng mạng ..........................................................................................................49
2.5 Việc ứng dụng hệ số DBM để đánh giá hiệu năng giải thuật định tuyến ...49
2.5.1. Giới thiệu.................................................................................................49
2.5.2. Đánh giá hiệu năng định tuyến qua giá trị hệ số DBM ........................... 50
2.6 Kết luận chương .......................................................................................... 51
CHƯƠNG 3ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA RÀNG BUỘC SỬ
DỤNG THÔNG TIN NỘI BỘ ..................................................................................52
3.1 Mở đầu.........................................................................................................52
3.2 Các nghiên cứu liên quan ............................................................................53
3.3 Đề xuất giải thuật định tuyến dùng thông tin nội bộ sử dụng băng thông và

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

4.2.2. Một số khái niệm liên quan đến tập tuyến truyền. ..................................81
4.2.3. Ảnh hưởng của kiểu tập tuyến truyền đến hoạt động của giải thuật định
tuyến dùng thông tin nội bộ ..............................................................................83
4.2.4. Mô phỏng đánh giá hiệu quả của tập tuyến truyền linh động đối với giải
thuật định tuyến dùng TTNB ............................................................................84
4.2.5. Đánh giá hiệu năng định tuyến QoS sử dụng tập tuyến truyền linh động ..
.............................................................................................................90
4.3. Đề xuất ứng dụng kiểu định tuyến phân tán trong giải thuật định tuyến
dùng thông tin nội bộ ........................................................................................... 91
4.3.1. Giới thiệu ................................................................................................ 91
4.3.2. Một số định lý liên quan đến đề xuất ứng dụng kiểu định tuyến phân tán .
................................................................................................................91
4.3.3. Mô tả giải thuật đề xuất: .........................................................................95
4.3.4. Mô phỏng đánh giá hiệu năng định tuyến. .............................................98
4.4. Đề xuất cơ chế điều khiển linh hoạt trong thuật toán định tuyến dùng thông
tin nội bộ ứng dụng kiểu định tuyến phân tán ...................................................101
4.4.1. Giới thiệu chung: ...................................................................................101
4.4.2. Một số định lý liên quan đến việc ứng dụng cơ chế điều khiển linh hoạt ..
...........................................................................................................101
4.4.3. Mô tả giải thuật đề xuất: .......................................................................102
4.4.4. Mô phỏng đánh giá hiệu năng định tuyến .............................................106
4.5. Độ phức tạp tính toán của các giải thuật ...................................................112
4.6. Kết luận chương ........................................................................................112
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO .........................................114
1.

Kết luận chung ..........................................................................................114

2.

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

ATM

Asynchronous Transfer
Mode

Phương thức truyền dị bộ

BBM

Balanced Bandwidth Metric

Hệ số đánh giá cân bằng băng
thông mạng

BBP

Bandwidth Blocking
Probability

Xác suất nghẽn băng thông

Bandwidth-DelaybitErrorRate based Routing

(Tên của giải thuật đề xuất)

BDER

bdp

Routing Algorithm based on

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

CBR

Localized Credit Based
Routing

Định tuyến dựa trên chỉ số tín dụng
dùng thông tin nội bộ

CSHT

(Infrastructure)

Cơ sở hạ tầng

DBM

Differential Bandwidth
Metric

Hệ số đánh giá độ chênh lệch băng
thông

Dijkstra

Dijkstra Algorithm

Tên của thuật toán tìm đường ngắn
nhất mô tả tại [50]

DPS

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

Full High Definition

Độ phân giải cao đầy đủ

High Definition

Đô phân giải cao

Highest Link Average
Bandwidth History

Giải thuật định tuyến dựa trên lịch
sử băng thông trung bình các liên
kết cao nhất

Hop, minimum number of
hops

Bước nhảy, số bước nhảy ít nhất

Internet Protocol

Giao thức Internet

Internet Protocol TeleVision

Truyền hình sử dụng giao thức IP

ISP

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

Routing Algorithm

(Tên của giải thuật đề xuất)

LDCR

Localized DelayConstrained QoS Routing

Giải thuật định tuyến đảm bảo QoS
dùng thông tin nội bộ lấy độ trễ làm
ràng buộc

LDR

Localized Distributed
Routing

(Tên của giải thuật đề xuất)

LDRA

Localized Distributed
bandwidth-constraint
Routing Algorithm

(Tên của giải thuật đề xuất)

MAN

Metro Area Network

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

Giải thuật định tuyến lấy số bước
nhảy bé nhất

MIRA

Minimum Interference
Routing Algorithm

Giải thuật định tuyến dùng ảnh
hưởng xuyên nhiễu bé nhất

MPLS

Multiprotocol Label
Switching

Chuyển mạch Nhãn đa giao thức

NS-2, NS-3

Network Simulator version
2, version 3

Phần mềm mô phỏng mạng

NwGN

New Generation Network

Mạng thế hệ mới

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

Quality of Service Routing

Định tuyến đảm bảo chất lượng
dịch vụ

RBDA

QoS Routing using
Bandwidth-Delay based
Algorithm

(Tên của giải thuật đề xuất)

SDP

Shortest-distance path

(Giải thuật) Tuyến truyền ngắn nhất

SLA

Service Level Agreement

Thỏa thuận cung cấp dịch vụ

Synchronous Optical
Network

Mạng quang đồng bộ

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

ix

UHDTV (4K, Ultra High Definition
8K …)
Television (4K, 8K…)

Truyền hình độ nét cực cao (4K,
8K …)

Uniform distribution law

Luật phân phối uniform

Video streaming

Dòng thông tin video

VoD

Video on Demand

Dịch vụ Video theo yêu cầu

VoIP

Voice over IP

Thoại sử dụng giao thức Internet

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

Video
streaming

WWW
Zettabyte


x

DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký hiệu
(a,b)
ax,bx
A,A’,B,C
BBP
Bi
|B|

Ý nghĩa
Liên kết kết nối hai nút mạng a và b
Lưu lượng yêu cầu tại nút x (hiện tại, và dự báo trong tương
lai)
Ký hiệu các tuyến truyền trong các định lý
Xác suất nghẽn băng thông
Tổng số lần truyền hỏng/từ chối truyền luồng tin trên liên kết
giữa nút nguồn với nút liền kề
Tổng số luồng bị nghẽn

bm

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

Băng thông giữa hai nút liền kề a và b
Dung lượng trên một hướng liên kết
Chỉ số tuyến truyền trong giải thuật RBDA

Cr

Tham số thiết lập lại tập tuyến truyền

d

Độ sâu kết nối

D

Giá trị trễ các các hướng trên liên kết trên mạng

DBM, BBM
dnew, dold
f, f(u)

Các hệ số đánh giá cân bằng băng thông mạng
Độ sâu kết nối mới, cũ.
Ký hiệu luồng tin đến nút, hàm ràng buộc trọng số của luồng f

FBP

Xác suất nghẽn luồng

fl_idx

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|

Số nút liền kề của tập K

Ki

Nút liền kề

L

Tập hợp số liên kết trên mạng

m

Giá trị trung bình băng thông khả dụng theo số nút

M

Số mô tả cửa sổ dịch trong thuật toán CBR

Md

Ma trận kết nối M với độ sâu kết nối d

Mijd

Phần tử (i,j) thuộc ma trận Md

MAX_CREDITS Hệ thống cấp điểm của giải thuật CBR
𝑚𝑖𝑛𝐵𝑣𝑑
minhopij

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

Biến chỉ điểm của tuyến truyền (của giải thuật CBR)
Biến chứa các giá trị băng thông, độ trễ ... trong các giải thuật
đề xuất
Tỷ lệ mất gói trong giải thuật BDER


xii
Ký hiệu
Pmin, Palt

Ý nghĩa
Tuyến truyền có giá trị điểm cao nhất của tập Rmin và tập Ralt
trong giải thuật CBR

pt_idx

Chỉ số điều khiển truyền tin trong giải thuật LDRA

Pt_idx

Chỉ số tuyến truyền trong giải thuật BQRA

q

Số tuyến truyền ngắn nhất giữa hai nút Y và Z

Qj

Tổng giá trị băng thông khả dụng tại mỗi nút

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

Yêu cầu QoS từ luồng tin yêu cầu

𝑑
𝑅𝑖𝑗

Tập tuyến truyền (có độ sâu kết nối d) giữa hai nút i và j

s

Số liên kết trên một tuyến truyền P

S

Thông số cài đặt trước cho giải thuật BQRA, RBDA

SLA
T

Yêu cầu QoS từ luồng tin yêu cầu
Tổng luồng tin yêu cầu từ nút nguồn đến nút đích

|T|

Tổng số luồng phát sinh

Ti

Tổng số luồng sử dụng tuyến truyền giữa nút nguồn với nút đích

Tx

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

Tuyến truyền k thuộc tập Vd
Ký hiệu nút mạng

xi

Tải băng thông trên các liên kết trên mạng

α

Chỉ số thay đổi độ sâu kết nối

αj , γ j

các hệ số ưu tiên cho nút thứ j

αx, γx

các hệ số ưu tiên cho nút x

βi

Chỉ số so sánh chọn đường trong giải thuật BQRA

Ф

Tham số hệ thống của giải thuật CBR

λ

Giá trị tốc độ luồng dữ liệu đến nút theo luật Poisson

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

Hình 1.4 Thủ tục so sánh tuần tự ba thông số QoS

14

Hình 1.5 Hội tụ dịch vụ và hạ tầng mạng

16

Hình 1.6 Hội tụ dịch vụ trên nền mạng viễn thông

17

Hình 1.7 Sơ đồ mô tả việc định tuyến trên mạng viễn thông

18

Hình 1.8 Mô hình Best-Effort – Nguồn [1]

24

Hình 1.9 So sánh định tuyến dùng TTTC và định tuyến dùng TTNB – Nguồn
[38]

30

Hình 3.1 Lưu đồ hoạt động của RBDA

56

Hình 3.2 Mã giả ngẫu nhiên của RBDA

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 3.10 Các giá trị của DBM khi  thay đổi từ 0,2 đến 0,5

66

Hình 3.11 Giá trị trễ đầu cuối trung bình trên ISP2

67

Hình 3.12 Các giá trị của DBM trên mạng mô phỏng ISP3

68

Hình 3.13 Giá trị trễ đầu cuối trung bình khi tải =0.2 and 0.5

69

Hình 3.14 Lưu đồ hoạt động của BDER

71

Hình 3.15 Mã giả ngẫu nhiên của BDER

72


xv
Hình 3.16 Các mạng mô phỏng có 32 nút (ISP1) và 60 nút (ISP4)

73

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

88

Hình 4.4 Giá trị số bước nhảy trung bình khi  = 0,4

88

Hình 4.5 Giá trị số bước nhảy trung bình khi  = 0,8

89

Hình 4.6 Giá trị của độ sâu kết nối d của các tập tuyến truyền từ nút 0

90

Hình 4.7 So sánh hai kiểu định tuyến nguồn và phân tán – Nguồn [65]

92

Hình 4.8 Chứng minh định lý 4.1

92

Hình 4.9 Chứng minh định lý 4.2

93

Hình 4.10 Chứng minh điểm 1 của định lý 4.3

94

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

107

Hình 4.19 Xác suất nghẽn luồng

108

Hình 4.20 Xác suất nghẽn băng thông

109

Hình 4.21 So sánh các chỉ số Jain về cân bằng băng thông mạng

110

Hình 4.22 Ảnh hưởng của lưu lượng truyền loạt

111

Hình PL.1. Mạng giả định 1

133


xvi
Hình PL.2. Mạng giả định 2

134

Hình PL.3. Mạng điều hành viễn thông khu vực

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

Bảng 1.1 Phân loại lưu lượng các dịch vụ

9

Bảng 1.2. Lớp dịch vụ và chuẩn QoS

10

Bảng 1.3. Các mục tiêu chất lượng đối với các ứng dụng thoại/video

10

Bảng 2.1 Các mô hình mạng trong các thí nghiệm mô phỏng

43

Bảng PL.1. Ma trận kết nối 1

134

Bảng PL.2. Ma trận kết nối 2

135

Bảng PL.3. Ma trận kết nối 3

135

Bảng PL.4. Ma trận kết nối 4

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

sở cải tiến những giải pháp đã và đang được sử dụng với mục tiêu góp phần đưa
công nghệ định tuyến đảm bảo QoS được phổ dụng hơn, ứng dụng nhiều hơn trong
thực tế đã trở thành vấn đề cấp thiết hiện nay.
Trên cơ sở đó, Luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề về chất lượng dịch vụ
(QoS), cân bằng tải, định tuyến đảm bảo QoS và đề xuất các giải thuật định tuyến
mới nhằm đảm bảo QoS cho dịch vụ viễn thông trên mạng viễn thông phát triển
mạnhhiện nay cũng như trong thời gian sắp đến.
2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
- Trong nước: Hiện nay, các nghiên cứu về QoS tương đối phổ biến, được
nghiên cứu nhiều, đáp ứng nhu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ trên các loại mạng
nhưmạng tùy biến di động (MANET - mobile ad hoc network), mạng hội tụ di động
– cố định (FMC - Fixed Mobile Convergence ) … thể hiện tại các nghiên cứu [2],


2

[4]. Định tuyến kiểu Best-Effort được nghiên cứu và mô tả tại [1] giúp hình dung
quá trình định tuyến khi không có yêu cầu về QoS. Giải pháp sử dụng trí tuệ nhân
tạo trong [6] cũng được nghiên cứu và đề xuất nhằm thoả mãn vấn đề đảm bảo QoS
khi chuyển tải thông tin trên mạng viễn thông.
Về định tuyến, việc nghiên cứu, đề xuất giải thuật định tuyến mới đã và đang
sử dụng để bổ sung, trình bày hoặc giải các bài toán mang tính tổng quát cao về việc
định tuyến thông tin trên mạng, cụ thể các nghiên cứu [2], [4], [5].
Về nghiên cứu phát triển mạng viễn thông hiện nay: Việc nghiên cứu đảm bảo
chất lượng mạng như [95] đã giải quyết nhiều vấn đề về định tuyến ứng dụng trên
mạng thế hệ mới, đồng thời cũng là một hướng ứng dụng gợi mở cho việc phát triển
của mạng viễn thông Việt nam.
- Ngoài nước:
Các nghiên cứu về QoS như cơ chế định tuyến đảm bảo QoS và OSPF mở
rộng [14], [39], [40], [51], [107] cũng là một giải pháp được quan tâm trong việc

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.

Về các nghiên cứu tiến trình phát triển của mạng viễn thông hiện nay: Các
cường quốc công nghệ đặc biệt là Mỹ, Nhật đã đầu tư, nghiên cứu, và hoạch định
mạng viễn thông nhằm đón đầu nhu cầu chất lượng mạng viễn thông của chính họ,
với các dự án như FIND [24], NICT [60], AKARI [62], GENI [73] … Với nhu cầu
cao về dịch vụ, công nghệ, ứng dụng công nghệ thông tin tại các thị trường trên, các
nghiên cứu cũng chỉ ra các định hướng và các yêu cầu trong việc định tuyến thông
tin nhằm ứng dụng hiệu quả trong mạng viễn thông hiện nay.
Tóm lại, các nghiên cứu trên đã đề xuất được cơ chế mới cũng như mô hình
mạng, mô hình cung cấp dịch vụ mới cùng với việc đề xuất cácgiải pháp định tuyến
mới, hiệu quả hơn, đảm bảo QoS chất lượng cao hơn cho dịch vụ viễn thông, đáp
ứng được nhu cầu ngày càng cao của thị trường viễn thông trong thời gian đến.
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Với việc chọn lĩnh vực nghiên cứu là giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ
trên mạng viễn thông hiện nay, mục tiêu hướng đến của Luận án là đề xuất các giải
pháp mới nhằm hoàn thiện hơn việc định tuyến thông tin trên mạng viễn thông hiện


4

tại nhằm đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao của thị trường viễn thông trên cơ sở
khảo sát những giải pháp đã và đang được áp dụng trên mạng hiện nay.
Các mục tiêu nghiên cứu của Luận ánlà:
- Đề xuất mô hình, giải thuật định tuyến đảm bảo QoS mới, có khả năng ứng
dụng trong mạng viễn thông phát triển mạnh mẽ hiện nay trên cơ sở nghiên cứu các
bài báo, các đề xuất và các công trình liên quan.
- Đề xuất các giải pháp để nâng cao hiệu năng các giải thuật định tuyến đảm
bảo QoS dùng TTNB.
- Đề xuất hệ số đánh giá mạng, đánh giá hiệu năng các giải pháp định tuyến
trên cơ sở các nghiên cứu về QoS và định tuyến đảm bảo QoS.
Các mục tiêu nghiên cứu trên đã xác định cụ thể đối tượng và phạm vi nghiên

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

[B.4], [B.5] và [B.6].
- Đề xuất tập tuyến truyền linh động hỗ trợ cho hoạt động của giải thuật định
tuyến dùng TTNB được hiệu quả hơn. Kết quả nghiên cứu này được công bố trong
các công trình [A.2] và [A.8].
- Nghiên cứu và đề xuất các giải thuật định tuyến dùng TTNB trong đó dựa
vào kiểu định tuyến phân tán nhằm làm tăng hiệu năng định tuyến và giảm bộ nhớ
lưu trữ và tính toán tại các nút mạng. Các kết quả nghiên cứu này được công bố
trong các công trình [A.4] và [A.5].
- Đề xuất xây dựng các công cụ đánh giá mạng viễn thông thông qua các hệ
số đánh giá cân bằng tải nhằm hỗ trợ cho việc đánh giá hiệu năng các giải thuật định
tuyến. Các kết quả nghiên cứu này được công bố trong các công trình [A.1], [A.3],
[A.9] và [B.7].
Ngoài ra, Luận án đã nghiên cứu tổng quan vềđịnh hướng phát triển mạng
viễn thông hiện nay và về các kỹ thuật định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ
(QoS)trên mạng thế hệ mới trong các nghiên cứu [B.1], [B.2], [B.3] và [A.6] trong
phần danh mục các công trình công bố và các nghiên cứu liên quan của tác giả ở
phần sau của Luận án.
6. Bố cục của luận án
Luận án gồm 4 chương với bố cục như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vấn đề đảm bảo QoS trên mạng viễn
thông,và các yêu cầu kỹ thuật định tuyến đảm bảo QoS ứng dụng trong mạng viễn


6

thông phát triển hiện nay. Tổng quan vềđịnh tuyến đảm bảo QoS, nhất là định tuyến
đảm bảo QoS dùng TTNB. Trên cơ sởđó,luận án xác định hướng nghiên cứu là đề
xuất các giải thuật định tuyến đảm bảo QoS dùng TTNB và các giải pháp để nâng
cao hiệu năng của các giải thuật này.
Chương 2: Nghiên cứu và đề xuất các các tiêu chí đánh giá hiệu năng của các

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

Ngày nay, mọi lĩnh vực xã hội từ lối sống đến nhu cầu tiêu dùng hàng ngày
đều liên quan đến Internet và truyền thông. Mạng viễn thông – mạng truyền dữ liệu
ngày càng phát triển mạnh mẽ, ngày càng hiện đại hơn, và trở thành yếu tố gắn chặt
với sự phát triển của xã hội, đã thâm nhập và thay đổi lối sống của con người, từ
việc làm, tiêu khiển đến những tác động xã hội. Do đó, nhu cầu về thông tin trở nên
rất bức thiết và bùng nổ như nghiên cứu của Cisco [27] hay tại [55], với dự đoán
lưu lượng dữ liệu sẽ vượt qua mức 1,2 zettabyte vào năm 2017 và đạt 2,1 zettabyte
vào năm 2019 (khoảng 168,5 exabyte/tháng) (xem hình 1.1). Đây là mức dữ liệu rất
cao, với mức tăng trưởng bình quân hàng năm (CAGR) khoảng 23% đến năm 2019
(với 1 zettabyte = 1.000.000.000 Gbyte; exabyte = 1.000.000 Gbyte – Nguồn
[109]).

Hình 1.1 Dự báo lượng thông tin trên mạng đến năm 2019 - Nguồn [27]
Trên mạng viễn thông hiện nay, những dịch vụ viễn thông mới cần chất lượng
dịch vụ rất cao, như các dịch vụ trực tuyến, đa phương tiện, VoD, UHDTV (4K, 8K
…) … vì thế mà các nhà cung cấp dịch vụ phải đảm bảo chất lượng mạng lưới cho
khách hàng theo các yêu cầu chất lượng QoS tương ứng. Chính các yêu cầu này đặt


8

ra cho mạng viễn thông những yêu cầu khắt khe để việc truyền dịch vụ đến nơi sử
dụng đảm bảo chất lượng. Việc đáp ứng tốt QoS tương ứng với việc đảm bảo cho
dịch vụ có giá trị của các thông số QoS từ nguồn đến đích đạt như yêu cầu, trong đó
các thông số QoS được sử dụng để mô tả các yêu cầu của dịch vụ viễn thông cung
cấp cho người sử dụng cũng như là chất lượng của mạng viễn thông nhằm đáp ứng
cho các nhu cầu ấy.
Hiện nay, vấn đề đảm bảo QoS trở nên rất nan giải do có nhiều loại ứng dụng
trên mạng viễn thông với các đặc tính lưu lượng khác nhau hoặc tích hợp nhiều loại
dịch vụ trên cùng một nền ứng dụng chung. Điều này làm cho việc hỗ trợ các loại

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.