Ứng dụng kỹ thuật lưu lượng IP/MPLS cho mạng di động 3G

Nội dung text: Ứng dụng kỹ thuật lưu lượng IP/MPLS cho mạng di động 3G

1. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LƯU LƯỢNG IP/MPLS CHO MẠNG DI ĐỘNG 3G APPLY TRAFFIC ENGINEERING IP/MPLS FOR 3G MOBILE NETWORK PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Vũ Văn Huyến Học viên cao học Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM TĨM TẮT using label switching technology core IP / Việc tích hợp thoại, video và dữ liệu MPLS is an inevitable trend. The combined vào vận chuyển chung cùng một mạng lõi sử use of the differentiated services (DiffServ) dụng cơng nghệ chuyển mạch nhãn and multiprotocol label switching (MPLS) IP/MPLS là một xu hướng tất yếu. Việc kết technologies is envisioned to provide hợp mơ hình dịch vụ phân biệt (Diffserv) với guaranteed quality of service (QoS). cơng nghệ chuyển mạch nhãn MPLS để đảm However, such a scheme only dictates per bảo chất lượng dịch vụ đã được áp dụng. hop behavior (PHB) and it does not control Tuy nhiên, nĩ chỉ ra lệnh cho mỗi hop the end to end path the traffic is taking. If (PHB) và khơng kiểm sốt đến cuối con some link of the path is congested, packets đường mà lưu lượng đi qua. Nếu một số liên will be dropped and QoS can not be kết của con đường bị tắc nghẽn, các gĩi tin guaranteed. Another attractive application sẽ bị rớt và QoS cĩ thể khơng được đảm of MPLS is for Traffic Engineering (TE), bảo. Một ứng dụng khác của MPLS là kỹ which sets up end to end routing path before thuật lưu lượng (TE), cho phép thiết lập đến forwarding data. But, MPLS TE only cuối đường định tuyến trước khi dữ liệu reserves resource in one aggregated class, được chuyển đi. Nhưng MPLS TE chỉ dành so that it can not provide QoS for tài nguyên cho một lớp lưu lượng tổng hợp, differentiated services. MPLS DiffServ- do đĩ nĩ khơng thể cung cấp QoS cho các aware TE makes MPLS TE aware of QoS, dịch vụ khác nhau. MPLS DiffServ-aware by combining the functionalities of both TE làm cho MPLS TE nhận biết QoS, bằng DiffServ and TE. In this paper, the QoS cách kết hợp các chức năng của cả DiffServ performance is analyzed for different type of và TE. Trong bài báo này, phân tích thực services including VoIP, Real time Video, hiện QoS cho các loại dịch vụ khác nhau and Internet access, from the application in bao gồm VoIP, Video thời gian thực và truy 3G mobile network. The results show that cập internet, từ đĩ ứng dụng vào mạng di the guaranteed bandwidth for better services động 3G. Kết quả cho thấy việc đảm bảo GIỚI THIỆU băng thơng cho các dịch vụ được tốt hơn. Trong mạng di động 3G, nhiều loại ABSTRACT dịch vụ vận chuyển trên cùng một mạng IP và do đĩ mạng phải đảm bảo chất lượng cho The integration of voice, video and các loại dịch vụ khác nhau, đặc biệt là dịch data to share the same transport network vụ thoại. Bản thỏa thuận mức độ dịch vụ Trang 1
2. (SLA) xác định chất lượng các dịch vụ truy Bài viết này đánh giá việc kết hợp cập qua mạng và thể hiện trong các điều MPLS TE với QoS Diffserv cho mạng di khoản như độ trễ gĩi tin, biến động trễ, đảm động 3G và phân tích QoS dựa trên kết quả bảo băng thơng, tỷ lệ mất gĩi tin, khả năng thực nghiệm. Trước tiên, giới thiệu các khái phục hồi khi mạng bị lỗi. Trong những năm niệm liên quan. Sau đĩ thiết kế thực nghiệm qua, nhiều mơ hình chất lượng dịch vụ QoS và mơ phỏng. Các tham số về khả năng đã được áp dụng cho các mạng truyền thơng. chiếm băng thơng, trễ gĩi tin, biến động trễ, Mục tiêu cơ bản của bất kỳ mơ hình QoS tỷ lệ mất gĩi tin được mơ phỏng và phân nào cũng để đảm bảo khơng để xảy ra tắc tích, đánh giá. Cuối cùng là đề xuất hướng nghẽn quá mức bằng việc đảm bảo chất phát triển. lượng dịch vụ QoS. Điều quan trọng là các Các khái niệm liên quan mơ hình QoS khơng tạo ra năng lực mạng bổ sung, chúng chỉ ra thứ tự ưu tiên các QoS luồng lưu lượng và phân bổ băng thơng Mục tiêu cơ bản của bất kỳ cơ chế trong điều kiện tắc nghẽn hoặc giảm bớt tỷ QoS là đảm bảo tình trạng tắc nghẽn quá lệ nguồn vào để giảm tắc nghẽn. mức khơng xảy ra cho các gĩi. Trong nhiều Trong [1] năm 2010, tác giả N. Akar năm qua, rất nhiều cơ chế đã được nghiên và M.A. Toksưz đã trình bày thuật tốn tự cứu và áp dụng để cung cấp QoS cho mạng động phân bổ băng thơng cho các đường truyền thơng. Internet Engineering Task chuyển mạch LSP thơng qua trễ thích nghi. Force (IETF) đã đề xuất nhiều mơ hình dịch vụ và cơ chế để đáp ứng các nhu cầu về Trong [2,3] tác giả F.L. Faucheur và QoS. Mơ hình dịch vụ tích hợp (Intserv) và các cộng sự đã giới thiệu các khái niệm về Dịch vụ phân biệt (DiffServ) là đáng chú ý DiffServ với kỹ thuật lưu lượng (DiffServ- nhất. TE). DiffServ-TE dự trữ băng thơng cho các lớp dịch vụ riêng biệt khác nhau của lưu Intserv, cùng với giao thức dành lượng truy cập. Do đĩ, dịng chảy lưu lượng trước tài nguyên (RSVP), cĩ thể đảm bảo về một điểm đích nhất định cĩ thể được cung cấp các dịch vụ end-to-end trong mạng chuyển tiếp trên nhiều đường chuyển mạch IP. Nĩ định nghĩa quá trình xử lý báo hiệu nhãn LSP riêng biệt dựa trên các lớp dịch vụ cho các luồng riêng biệt và yêu cầu phải dự khác nhau. trữ một lượng băng thơng và độ trễ nhất định. Để đảm bảo cho mỗi dịng, IntServ mơ Trong [4] các tác giả Dongli Zhang tả hai thành phần: dự trữ tài nguyên và điều và Dan Ionescu đã phân tích việc thực hiện khiển lưu lượng. Dự trữ tài nguyên cho phép QoS cho các loại dịch vụ khác nhau trong luồng dữ liệu riêng biệt yêu cầu một lượng một mạng DiffServ-TE, bao gồm cả VoIP, băng thơng và độ trễ thích hợp. Nếu việc video thời gian thực và truy cập dữ liệu. báo hiệu thành cơng, thì các thành phần Trong [5] các tác giả Fahad Rafique mạng sẽ phải dự trữ lượng băng thơng cần Dogar, Zartash Afzal Uzmi, Shahab Munir thiết. Cịn điều khiển lưu lượng Intserv sẽ Baqai đã đề xuất cấu trúc mạng MPLS phục quyết định yêu cầu dự trữ nào sẽ bị từ chối. hồi định tuyến lưu lượng truy cập DiffServ. Nếu tất cả các yêu cầu được chấp nhận thì sẽ Kiến trúc này, quy định hai tính năng QoS cĩ quá nhiều luồng lưu lượng đi trong mạng. cho lưu lượng đa phương tiện: ưu tiên đảm Vấn đề chính của kiến trúc Intserv là bảo băng thơng và phục hồi nhanh chĩng khả năng mở rộng. Trong mặt phẳng điều trong trường hợp một phần tử mạng bị lỗi. khiển, thơng tin trên mỗi luồng được lưu giữ. Trong mặt phẳng chuyển tiếp dữ liệu, Trang 2
3. phân loại mỗi dịng chảy, quản lý bộ đệm thực hiện dựa trên nhãn và các nút trung mỗi dịng chảy và lập kế hoạch cho mỗi gian chuyển tiếp độc lập với địa chỉ IP đích. dịng được yêu cầu, làm cho việc lưu trữ số Tính tốn một đường dẫn mà đáp liệu và tải xử lý của các router tăng cao. ứng các ràng buộc, như băng thơng, số bước Kiến trúc Dịch vụ phân biệt [6] được nhảy, yêu cầu về thơng tin cĩ sẵn cho mỗi thiết kế để cung cấp mức QoS khác nhau liên kết và thơng tin này được phân phối cho cho các luồng lưu lượng khác nhau. Nĩ tất cả các nút thực hiện tính tốn đường dẫn. khơng thể cung cấp băng thơng và đảm bảo Điều này đạt được bằng cách thêm vào TE, độ trễ cho mỗi dịng lưu lượng. Nhưng nĩ các giao thức về trạng thái liên kết, khơng đáp ứng được các mạng cần mở rộng, các chỉ quảng bá trạng thái (up/down) của các mạng lớn và chất lượng dịch vụ tốt hơn. liên kết mà cịn cả các thuộc tính của các Bằng cách đánh dấu các gĩi dữ liệu liên kết và băng thơng cĩ sẵn. Bằng cách và xử lý chúng khác nhau, một số lớp dịch này, mỗi nút cĩ kiến thức về thuộc tính hiện vụ phân biệt được hỗ trợ. Các dịch vụ sau tại của tất cả các liên kết trong mạng. đây được định nghĩa: Dịch vụ chất lượng Sau khi thơng tin này được cung cấp, cao, dành cho các ứng dụng địi hỏi độ trễ một phiên bản sửa đổi của thuật tốn chọn thấp, biến động trễ thấp, đảm bào băng đường ngắn nhất (SPF), gọi là CSPF, được thơng và khơng mất gĩi tin như dịch vụ sử dụng bởi các nút biên đầu vào để tính VoIP. Dịch vụ đảm bảo, dành cho ứng dụng tốn một đường dẫn tuân thủ các ràng buộc địi hỏi về băng thơng, cho phép tỷ lệ gĩi tin đưa ra. thấp như dịch vụ video. Dịch vụ nỗ lực tốt Cuối cùng, sau khi một đường dẫn nhất (best-effort) khơng yêu cầu dành trước được tính tốn, trạng thái chuyển tiếp MPLS băng thơng, cho phép trễ [4] . được thiết lập dọc theo đường dẫn đĩ bằng Như vậy khả năng mở rộng mạng dễ cách sử dụng RSVP-TE như là một giao dàng thực hiện vì số lượng thơng tin về thức phân phối nhãn. Từ khi lưu lượng chảy trạng thái tỷ lệ thuận với số lượng các lớp dọc theo LSP được hồn tồn xác định bằng lưu lượng và cấu trúc dữ liệu thay vì số cách đưa nhãn vào tại các router biên đầu lượng dịng chảy lưu lượng. Hơn nữa, việc đường dẫn, những đường dẫn này được coi phân loại, đánh dấu và chính sách chỉ cần là đường hầm. thực hiện tại phần biên của các mạng. Mặc dù MPLS TE sử dụng cùng một MPLS Traffic Engineering (TE) cơ chế RSVP, nhưng nĩ tránh được các vấn Kỹ thuật lưu lượng [7][8] là quá đề về khả năng mở rộng của InteServ. Trong trình kiểm sốt lưu lượng chảy qua mạng kịch bản MPLS TE, thơng tin trạng thái áp như thế nào để tối ưu hĩa sử dụng nguồn tài dụng cho một nhĩm các dịng lưu lượng thay nguyên và hiệu suất mạng. Mục đích chính vì một dịng duy nhất. Hơn nữa, phiên là để giảm tổng chi phí hoạt động bằng cách RSVP được tạo ra giữa các bộ định tuyến, sử dụng hiệu quả hơn về băng thơng. khơng phải là máy chủ, bị hạn chế số lượng các phiên RSVP. Các phiên trong MPLS TE Khả năng định tuyến rõ ràng của tồn tại lâu dài, thường lên đến một vài tuần MPLS cho phép khởi tạo các LSP để tính tốn đường dẫn, thiết lập MPLS chuyển tiếp Diffserv-Aware Traffic engineering các gĩi tin dọc theo đường dẫn và chuyển MPLS TE hoạt động ở cấp độ tổng lưu lượng vào các LSP đĩ. Khi một gĩi tin thể trên tất cả các lớp dịch vụ và kết quả là được ánh xạ lên một LSP, chuyển tiếp được nĩ khơng thể cung cấp đảm bảo băng thơng trên mỗi lớp cơ bản. Về cơ bản DiffServ kết Trang 3
4. hợp với TE là để cĩ thể làm cho dự trữ băng cho mỗi CT trên mỗi liên kết đều được biết thơng riêng biệt cho các lớp lưu lượng khác đến ở tất cả các mức ưu tiên. nhau và đưa ra hành vi chuyển tiếp riêng Một trong những khía cạnh quan biệt dựa trên các lớp. Điều này cĩ nghĩa theo trọng nhất của tính tốn băng thơng là việc dõi xem cĩ bao nhiêu băng thơng đáp ứng phân bổ băng thơng giữa các CT khác nhau. cho mỗi loại lưu lượng tại bất kỳ thời gian Tỷ lệ phần trăm băng thơng của mỗi liên kết nào trên tất cả các router trên mạng. dành cho một CT (hoặc một nhĩm CT) được gọi là một băng thơng hạn chế (BC). Cĩ hai mơ hình BC - Mơ hình MAM (Maximum allocation model): mỗi lớp được dành riêng một số lượng băng thơng và các lớp khác nhau khơng tận dụng băng thơng lẫn nhau như hình 1. - Mơ hình RDM (Russian Dolls Model): mỗi lớp được phân bổ một Hình 1 Mơ hình MAM số lượng băng thơng, các lớp ưu tiên thấp hơn cĩ thể sử dụng băng thơng của các lớp ưu tiên cao hơn khi băng thơng cĩ sẵn như thể hiện trong hình 2. Tĩm lại, mơ hình BC xác định băng thơng cĩ sẵn cho mỗi CT ở từng cấp độ ưu tiên. MAM và RDM là hai mơ hình BC. Chúng khác nhau về mức độ chia sẻ giữa các CT khác nhau và mức độ phụ thuộc Hình 2 Mơ hình RDM quyền ưu tiên để đảm bảo băng thơng cho một CT cụ thể Với mục đích này, khái niệm loại lớp lưu lượng (Class Type: CT) được đưa ra như DiffServ cung cấp lịch trình chính sau: là một nhĩm trung kế lưu lượng truy xác cho mỗi loại lưu lượng. Sự kết hợp của cập qua một liên kết, bị hạn chế về băng DiffServ và kỹ thuật lưu lượng CT, đảm bảo thơng. CT được sử dụng cho các mục đích chất lượng dịch vụ nghiêm ngặt. Ba thành chia băng thơng của liên kết, định tuyến dựa phần cho MPLS DiffServ nhận thức TE: kỹ trên ràng buộc và kiểm sốt đầu vào. IETF thuật lưu lượng mỗi lớp, chính sách lưu yêu cầu hỗ trợ lên đến tám CT từ CT0 đến lượng ở đầu vào vùng biên và lập kế hoạch CT7. cho mỗi lớp ở vùng lõi DiffServ-TE bổ sung băng thơng cĩ Dịch vụ trên mạng di động 3G sẵn cho mỗi CT như một bắt buộc áp dụng Nhu cầu của khách hàng ngày càng đa cho một đường dẫn. Vì vậy, CSPF được dạng, phong phú về dịch vụ, về các sản tăng cường để đưa vào tính tốn cho CT, cụ phẩm viễn thơng, nhu cầu về các dịch vụ thể việc định sẵn băng thơng ưu tiên như là băng thơng rộng tăng khơng ngừng, đặc biệt một bắt buộc khi tính tốn đường dẫn. Với là các nhu cầu về cơng nghệ, về xử lý thơng các tính tốn thành cơng, băng thơng dành tin, xử lý ảnh. Trang 4
5. Theo chuẩn ETSI TS123 107 V10.2.0 Hình 3: Mơ hình mơ phỏng (2012-01) của Viện Tiêu chuẩn Viễn thơng Lưu lượng video cĩ thể được điều châu Âu, dịch vụ trên nền di động 3G chia chỉnh khi khởi tạo lưu lượng, phạm vi của thành bốn nhĩm chính: lớp thoại, lớp luồng nĩ trong thử nghiệm này được thiết lập từ dữ liệu, lớp tương tác, lớp cơ bản. Tùy mức 4,0M đến 9,0M. Các nguồn video, voice, độ yêu cầu về độ trễ của dịch vụ, các dịch vụ http được phần mềm mơ phỏng OPNET hỗ được phân lớp như sau: trợ sẵn. Bảng 1: Phân nhĩm lưu lượng Trong các thí nghiệm, bốn lớp dịch Lớp lưu Loại dịch vụ vụ được cung cấp: Lớp thoại, lớp luồng dữ lượng liệu cĩ ưu tiên cao (video 1), lớp luồng dữ Lớp thoại Mobile Call, Mobile Video liệu cĩ ưu tiên thấp (video 2), lớp cơ bản Call, Mobile VoIP (http). Lớp thoại là lớp cĩ độ ưu tiên cao Lớp luồng Mobile TV, Mobile Camera, nhất, được đảm bảo băng thơng với độ trễ dữ liệu Music/Video On Demand, thấp, biến động trễ thấp và khơng mất gĩi O&M tin. Lớp luồng dữ liệu là các nguồn video Lớp tương Mobile Game thời gian thực cần đảm bảo băng thơng với tác tỷ lệ mất gĩi tin thấp. Lớp cơ bản dành cho Lớp cơ Mobile Internet, Mobile các dịch vụ khơng mang tính thời gian thực bản Broadband, MMS, etc như truy cập web Kết quả mơ phỏng Các chỉ tiêu về chất lượng dịch vụ Tất cả các mơ phỏng trong bài viết của các lớp dịch vụ được xác định rõ ràng này sử dụng phần mềm mơ phỏng OPNET theo tiêu chuẩn ETSI TS123 107 V10.2.0 và được thực hiện trên mơ hình giống cấu (2012-01) của Viện tiêu chuẩn Viễn thơng trúc mạng truyền tải IP của cơng ty di động châu Âu. Băng thơng, độ trễ, biến động trễ, vinaphone như hình 3. Backbone là MPLS tỷ lệ mất gĩi tin được đo nhiều lần trong tình được kích hoạt. Ba cặp router core tượng trạng mạng bị nghẽn trong một khoảng thời trưng cho ba khu vực Cần Thơ, Hồ Chí gian 10 phút. Kết quả về khả năng chiếm Minh, Đà Nẵng. Hai router biên đặt tại Cần băng thơng như hình 4. Thơ và Hồ Chí Minh. MPLS QoS Diffserv Về băng thơng và kỹ thuật lưu lượng TE được thực hiện trên mạng lõi Trong kịch bản, 4 đường hầm TE với các yêu cầu băng thơng khác nhau được Sử dụng nguồn phát lưu lượng về thiết lập. DSCP được gán cho bốn đường voice, video, http khác nhau cùng đấu vào hầm là EF, AF11, AF41 và AF42. Tỷ lệ các router PE tại Cần Thơ gĩi tin nhận được cho thấy rằng băng thơng được đảm bảo end to end cho mỗi đường hầm TE tạo ra. Để đảm bảo khả năng chiếm băng thơng của các dịch vụ, trong kịch bản đã tạo ra hai nguồn video với độ ưu tiên khác nhau, nguồn video 2 cĩ độ ưu tiên cao hơn video 1, kết quả cho thấy khả năng chiếm băng thơng đúng như yêu cầu của Qos Trang 5
6. tiên cho loại hình lưu lượng này. Tuy nhiên, lưu lượng video cĩ tốc độ bit thay đổi. Vì vậy, cung cấp băng thơng cho dịch vụ này để đảm bảo QoS là khĩ. Nghĩa là, tỷ lệ mất gĩi tin sẽ được thay đổi cho các loại video khác nhau hoặc tại các thời điểm khác nhau cho cùng một nguồn lưu lượng. Việc tính tốn và phân bổ băng thơng cho các loại lưu lượng khác nhau phải được thực hiện phù hợp. Tài liệu tham khảo [1]. N. Akar, M.A. Toksưz, MPLS Hình 4: Khả năng chiếm băng thơng khi automatic bandwidth allocation via adaptive chưa khai báo MPLS TE và QoS Diffserv hysteresis, 2010 [2]. F.L. Faucheur, L. Wu, B. Davie, S. Davari, P. Vaananen, R. Krishnan, P. Cheval, J.Heinanen, RFC 3270: Multi- protocol Label Switching (MPLS) Support for Differentiated Services, May 2002. [3]. F.L. Faucheur, W. Lai, RFC 3564: Requirements for Support of Differentiated Services-Aware MPLS Traffic Engineering, July 2003. [4]. Dongli Zhang, Dan Ionescu, QoS Performance Analysis in Deployment of DiffServ-aware MPLS Traffic Engineering, SNPD 2007, vol. 3, pp. 963–967, July 30 Hình 5: Khả năng chiếm băng thơng khi 2007–August 1. khai báo MPLS TE và QoS Diffserv [5]. Fahad Rafique Dogar, Zartash Afzal Uzmi, Shahab Munir Baqai, CAIP: a restoration routing architecture for DiffServ KẾT LUẬN aware MPLS traffic engineering, DRCN Việc kết hợp sử dụng Diffserv 2005, October 16–19, 2005 MPLS và MPLS TE để đảm bảo chất lượng [6]. Cisco system, Overview of DiffServ dịch vụ (QoS) end to end cho truy cập lưu for Quality of Service, April 2007 lượng đa dịch vụ trong các mạng IP. Một số thí nghiệm đã được thực hiện trên mơ hìh [7]. Cisco system, MPLS Traffic tương tự mạng thực tế, để đánh giá QoS của Engineering, 2006 các dịch vụ khi kết hợp ứng dụng MPLS TE [8]. Cisco system, Implementing Cisco với QoS Diffserv dưới các loại hình lưu MPLS Traffic Engineering and Other lượng khác nhau. Lưu lượng truy cập voice Features v2.0, 2004 cĩ yêu cầu băng thơng thấp và gần như khơng thay đổi, cĩ thể dễ dàng được bảo đảm bằng cách phân bổ đủ băng thơng và ưu Trang 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.