TỔNG QUAN
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
ngoài nước đã công bố
Dịch vụ IPTV (Internet Protocol Television) là một hình thức truyền hình tương tác, trong đó tín hiệu truyền hình kỹ thuật số được phân phối qua giao thức Internet trên nền tảng mạng băng rộng.
Khách hàng ngày càng yêu cầu chất lượng dịch vụ cao, vì vậy chất lượng dịch vụ (QoS) trở nên rất quan trọng trong việc cung cấp đa dịch vụ, đặc biệt trong bối cảnh hội tụ công nghiệp Internet hiện nay.
Chất lượng dịch vụ_QoS được đánh giá qua các thông số như:
- Tỉ lệ mất gói (Packet loss)
Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện khả năng phục vụ của Internet, nhằm đạt được chất lượng dịch vụ (QoS) tốt nhất Đặc biệt, vào năm 1990, kiến trúc QoS đã được ra đời dưới sự dẫn dắt của nhóm nghiên cứu IETF.
Internet Engineering Task Force (IETF) đã lần đầu tiên định nghĩa kiến trúc chất lượng dịch vụ (QoS) cho mạng IP thông qua mô hình dịch vụ tích hợp IntServ Mô hình này nhằm đảm bảo chất lượng cho các dịch vụ đầu cuối đến đầu cuối Tuy nhiên, việc triển khai kiến trúc IntServ đã gặp nhiều khó khăn.
IntServ sử dụng giao thức RSVP để dự trữ tài nguyên mạng, nhưng điều này gặp khó khăn trong việc đáp ứng yêu cầu, đặc biệt là với các mạng đường trục lớn, dẫn đến tính khả thi không cao Để khắc phục những hạn chế này, vào tháng 8 năm 1997, IETF đã xác định dịch vụ phân biệt DiffServ Dịch vụ này không yêu cầu dự trữ tài nguyên cho kết nối đầu cuối, không cần báo hiệu và không duy trì trạng thái luồng, mà áp dụng phương pháp xử lý từng chặng PHB, giúp tăng tính linh động trong việc khai thác tài nguyên mạng và đạt hiệu quả cao hơn.
Tuy DiffServ hoạt động theo phương thức phân lớp dịch vụ, nhưng khi áp dụng
Mặc dù DiffServ được triển khai trong mạng IP, nhưng hiệu quả chưa cao do việc xử lý IP gây ra độ trễ gói tin Hơn nữa, mạng IP còn gặp nhiều hạn chế như việc thực hiện cơ chế định tuyến đường ngắn nhất, dẫn đến tình trạng tắc nghẽn khi mạng quá tải Khả năng tái định tuyến của mạng IP cũng kém, với thời gian hội tụ thông tin chậm khi xảy ra lỗi kết nối Do đó, vào năm 1997, tổ chức IETF đã giới thiệu kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS để khắc phục những vấn đề này.
MPLS (Multiprotocol Label Switching) là kỹ thuật chuyển mạch gói sử dụng nhãn để chuyển tiếp gói tin, với việc dán nhãn diễn ra ở Shim header giữa lớp liên kết (Lớp 2 - Data Link) và lớp mạng (Lớp 3 - Network) Nhờ hoạt động giữa hai lớp này, MPLS cho phép quá trình định tuyến diễn ra nhanh hơn nhiều so với mạng IP truyền thống, đồng thời hỗ trợ MPLS-TE (Traffic Engineering) để tối ưu hóa lưu lượng mạng.
Kỹ thuật kết hợp DiffServ và MPLS có khả năng định tuyến lưu lượng đến các thuê bao đầu cuối trước khi truyền qua mạng, đồng thời cho phép tái định tuyến nhanh chóng khi có lỗi kết nối xảy ra Nhờ đó, phương pháp này giúp khai thác và quản lý nguồn tài nguyên mạng hiệu quả, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ IPTV.
Trong thời gian gần đây, nhiều bài báo đã tiến hành phân tích và đánh giá chất lượng dịch vụ mạng thông qua các kỹ thuật truyền tải gói tin, đặc biệt là kỹ thuật Baseline và DiffServ.
MPLS và DiffServ–MPLS đã được đánh giá dựa trên các thông số quan trọng như thông lượng, độ trễ, độ trượt và tỷ lệ mất gói tin Mỗi nghiên cứu đã phân tích và đánh giá các chỉ tiêu này trong từng bối cảnh cụ thể.
Bài báo phân tích chất lượng dịch vụ IPTV, trong đó lưu lượng video và FTP được truyền qua miền mạng DiffServ Chuẩn video MPEG-4 được áp dụng, kết hợp với thuật toán RED để xử lý tình trạng nghẽn mạng IPTV.
Bài báo năm 2007 phân tích chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng sử dụng kỹ thuật DiffServ-MPLS, với các lớp dịch vụ EF, AF11, AF13 và AF21 được ưu tiên cho Video, VoIP và Data, cùng với các thuật toán tương ứng.
WRED được dùng để xử lý nghẽn cho các lưu lượng khi truyền qua miền mạng
- Bài báo 2008[8], kỹ thuật lưu lượng dựa vào định tuyến ràng buộc trong mạng
MPLS là công nghệ quan trọng trong việc phân chia lưu lượng và tính toán đường ràng buộc, đồng thời quản lý lưu lượng hiệu quả Bài viết này so sánh hiệu quả thực thi các giao thức CR-LDP và RVSP, đồng thời đánh giá kết quả trên nền tảng NS2.
Bài báo năm 2009 đánh giá chất lượng dịch vụ của các ứng dụng Video, FTP và HTTP thông qua kỹ thuật DiffServ - MPLS Nghiên cứu tập trung vào các lớp dịch vụ EF, AF11 và AF21, đồng thời áp dụng các thuật toán như WFQ, RED và CAR để xử lý tình trạng nghẽn mạng, từ đó nâng cao độ phân giải lưu lượng.
Video này đánh giá khả năng truyền tải của mạng bằng cách so sánh chất lượng gói tin qua các cấu trúc mạng Baseline, DiffServ, MPLS và DiffServ - MPLS.
Tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Thị trường IPTV tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, với các nhà cung cấp như VNPT, VTC và FPT triển khai dịch vụ trên mạng băng rộng ADSL, FTTx và di động 3G Sự gia tăng ứng dụng đa phương tiện như video trực tuyến và VoIP đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn lưu lượng mạng IP do yêu cầu băng thông cao Băng thông trở thành nguồn tài nguyên quý giá, đòi hỏi các nhà cung cấp IPTV phải khai thác và chia sẻ hiệu quả, đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ Kỹ thuật DiffServ – MPLS được xem là giải pháp hiệu quả trong việc quản lý và tối ưu hóa tài nguyên mạng, đồng thời là chủ đề nghiên cứu nhằm đánh giá chất lượng dịch vụ IPTV.
Mục đích của đề tài
- Xem xét, đánh giá khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ_QoS của mạng IPTV thông qua các cấu trúc mạng Baseline, DiffServ và DiffServ – MPLS
Bài viết so sánh năng lực truyền tải của ba loại mạng: Baseline, DiffServ và DiffServ – MPLS trong điều kiện mạng tắc nghẽn cao Nó phân tích khả năng xử lý nghẽn của từng cấu trúc mạng, giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và độ tin cậy của từng phương pháp trong tình huống khó khăn này.
- Áp dụng các thuật toán CBWFQ, WRED[2][4][22] vào kiến trúc mạng để nâng cao hiệu quả hoạt động của chúng
- Đánh giá khả năng sử dụng kết hợp kỹ thuật DiffServ–MPLS[13][15] trong việc quản lý và khai thác nguồn tài nguyên mạng.
Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
Dựa trên lý thuyết và thực tiễn, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình thực nghiệm với cấu trúc mạng có và không có dịch vụ để so sánh và đánh giá hiệu quả của chúng.
- Dựa trên nền tảng các bài báo [2][6][7][8][9][10][11][12] sẽ mở rộng kiến trúc mạng mô phỏng bằng công cụ hỗ trợ OPNET 14.5[31]
Thực hiện các luồng lưu lượng ứng dụng như Voice, Video, FTP và HTTP với độ phân giải và mức ưu tiên khác nhau (EF, AFx và BE), đồng thời kết hợp với việc tăng tải lưu lượng nền, nhằm đánh giá khả năng truyền tải của từng cấu trúc mạng qua 9 kịch bản khác nhau.
- Áp dụng thuật toán CBWFQ, WRED vào kiến trúc mạng để đáp ứng tốt các yêu cầu về chất lượng dịch vụ [2][4][22]
Đánh giá chất lượng dịch vụ mạng sẽ dựa trên các yếu tố quan trọng như thông lượng, độ trễ, độ trượt và tỷ lệ mất gói tin cho các ứng dụng Voice, Video, Ftp và Http, đặc biệt trong các tình huống mạng có xác suất nghẽn cao.
Dựa trên các kết quả thực nghiệm, sẽ lựa chọn mô hình kỹ thuật dịch vụ phù hợp nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho mạng IPTV.
1.4.2 Giới hạn đề tài Đề tài không tập trung đi nghiên cứu sâu vào kiến trúc mạng DiffServ–MPLS[15] mà tập trung vào chất lượng chuyển tiếp gói tin: Áp dụng kỹ thuật DiffServ để phân loại gói tin theo mức chất lượng dịch vụ, kết hợp với kỹ thuật MPLS để chuyển tiếp gói tin, từ đó đánh giá chất lượng gói tin thông qua hoạt động của chúng.
Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài
- Đọc các tài liệu Khoa học - Kỹ thuật liên quan đến đề tài trong và ngoài nước
- Tìm tài liệu trên Internet
- Tìm hiểu dịch vụ IPTV thực tiễn
- Kiểm tra kết quả thông qua hệ thống thực tế và bằng mô phỏng
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về: Kỹ thuật IPTV, các giao thức mạng, các loại dịch vụ
Dịch vụ Intserv và Diffserv, cùng với chuyển mạch gói IP và chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp chất lượng dịch vụ IPTV Các thuật toán ứng dụng cho dịch vụ này cũng như các bài toán mô phỏng liên quan giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo trải nghiệm người dùng tốt nhất.
- Tìm hiểu việc cài đặt và sử dụng phần mềm mô phỏng OPNET 14.5 và các phần mềm có liên quan
Xây dựng mô hình cấu trúc mạng thực nghiệm trên OPNET 14.5 để đánh giá chất lượng dịch vụ IPTV thông qua việc so sánh các cấu trúc khác nhau.
Kế hoạch thực hiện đề tài
Trên cơ sở Chuyên đề 2 sẽ mở rộng hơn để thực hiện đề tài, kế hoạch thực hiện đề tài được cụ thể qua bảng 1.1 như sau:
Bảng 1.1: Kế hoạch thực hiện đề tài
Tuần 1 Đọc tài liệu QoS Đọc tài liệu OPNET
Chạy thực nghiệm với các mô hình đơn giản
Chạy thực nghiệm thu thập kết quả và so sánh
Chạy thực nghiệm so sánh kết quả và điều chỉnh thông số cấu hình
Tuần 2 Đọc tài liệu MPLS Đọc tài liệu OPNET
Chạy thực nghiệm các mô hình phức tạp hơn
Chạy thực nghiệm so sánh kết quả và điều chỉnh thông số cấu hình
Chạy thực nghiệm so sánh kết quả và điều chỉnh thông số cấu hình
Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài Đọc tài liệu OPNET
Tìm hiểu mạng IPTV thực tiễn
Xây dựng mô hình thực nghiệm chính thức và chọn tải lưu lượng
Chạy thực nghiệm so sánh kết quả và điều chỉnh thông số cấu hình
Chạy thực nghiệm hoàn chỉnh kết quả
IPTV Đọc tài liệu OPNET
Xây dựng mô hình thực nghiệm
Chạy thực nghiệm thu thập kết quả và so sánh
Chạy thực nghiệm so sánh kết quả và điều chỉnh thông số cấu hình
Hoàn chỉnh đề tài và nộp cho HDKH
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Kiến trúc hệ thống mạng IPTV
2.1.1 Sơ đồ kiến trúc hệ thống
Hình 2.1: Sơ đồ kiến trúc hệ thống IPTV
- IPTV Prossing System - Hệ thống xử lý IPTV[24]: Thu thập các nguồn tín hiệu
Video và âm thanh từ các hệ thống vệ tinh, cáp và đài địa phương được mã hóa, nén và lưu trữ, sau đó được đóng gói thành các gói tin IP Những gói tin này sẽ được chuyển đến bộ định tuyến để cung cấp cho người sử dụng cuối.
- IP Core Network - Mạng lõi IP[24]: Được xem là mạng đường trục, có nhiệm vụ truyền tải các gói tin theo định tuyến đến địa chỉ đích
Mạng truy cập là hệ thống kết nối dữ liệu từ mạng đường trục đến khách hàng, bao gồm các trạm trung tâm và thiết bị truy xuất đầu cuối, nhằm phân phối dịch vụ hiệu quả.
Digital Home theo yêu cầu đến khách hàng
- Digital Home - thiết bị số thuê bao đầu cuối: Bao gồm các STB, TiVi…giải mã tín hiệu, hiển thị phục vụ người xem[24]
2.1.2 Ứng dụng dịch vụ IPTV
- Dịch vụ truyền hình quảng bá: Live TV, Time-Shifted TV, NvoD…
- Dịch vụ theo yêu cầu: VoD, TvoD, Music on Demand…
- Dịch vụ thông tin và truyền thông: Information, Video Conference…
- Dịch vụ gia tăng khác: TV Mail, Photo Album, Video Blog, Game Online…
2.1.3 Ƣu và nhƣợc điểm của dịch vụ IPTV
Khả năng triển khai dịch vụ IPTV rộng rãi từ thành phố đến nông thôn nhờ vào việc tận dụng hạ tầng mạng truy cập hiện có, bao gồm hệ thống mạng băng rộng, cáp quang và cáp đồng.
- Cung cấp nhiều kênh truyền hình: Đối với 1 kênh SD băng thông đáp ứng từ
2Mbps–4Mbps như vậy với đường truyền 400 Mbps là có khả năng cung cấp khoảng
200 kênh SD phục vụ cho dịch vụ truyền hình quảng bá
Người dùng có khả năng tùy chỉnh trải nghiệm của mình thông qua các ứng dụng điều khiển, cho phép lựa chọn dịch vụ, đăng ký hoặc hủy các kênh riêng, hạn chế kênh, cũng như tua tới và tua lui các đoạn video một cách dễ dàng.
- Phát triển nhiều dịch vụ giá trị gia tăng như: Truyền hình trực tiếp, tọa đàm giao lưu, giáo dục từ xa, hội thao…
Khi lưu lượng mạng bị quá tải, chất lượng dịch vụ sẽ giảm sút Sự gia tăng nhu cầu của khách hàng cùng với sự phát triển của các ứng dụng đa phương tiện như video trực tuyến, VoIP và web đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn mạng, ảnh hưởng tiêu cực đến trải nghiệm người dùng.
2.2 Chất lƣợng dịch vụ - QoS (Quality of Service )
Chất lượng dịch vụ (QoS) là yếu tố then chốt và là thách thức lớn đối với các nhà cung cấp dịch vụ Nhiều tổ chức và nhóm nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra giải pháp tối ưu nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cho khách hàng Sự gia tăng của các ứng dụng đa phương tiện trên Internet đã tạo ra nhu cầu cao hơn về QoS.
QoS phải được phân loại theo yêu cầu dịch vụ
QoS cung cấp đảm bảo chất lượng dịch vụ đối với các ứng dụng như: Voice, Video
Chất lượng dịch vụ (QoS) được đánh giá dựa trên các tiêu chí như thông lượng, độ trễ, độ trượt và tỷ lệ mất gói tin QoS thực hiện hiệu quả cho các nguồn tài nguyên mạng khác nhau, với mục tiêu chính là đảm bảo chất lượng dịch vụ và hỗ trợ các cấu trúc mạng.
Tổ chức IETF đã phát triển nhiều mô hình dịch vụ, cấu trúc và chính sách nhằm đáp ứng hiệu quả các yêu cầu dịch vụ Trong lĩnh vực QoS, hầu hết các mô hình dịch vụ được thiết kế để cải thiện chất lượng trải nghiệm người dùng.
IntServ và DiffServ là hai mô hình tiêu chuẩn đảm bảo chất lượng dịch vụ Trong đó, kiến trúc DiffServ nổi bật với khả năng mở rộng và phân lớp lưu lượng, cho phép thực hiện điều hòa lưu lượng hiệu quả và áp dụng các phương pháp đối xử từng chặng PHB để chuyển tiếp gói tin.
Mặc dù kiến trúc DiffServ giải quyết được các nhược điểm của IntServ nhưng
DiffServ vẫn gặp một số hạn chế trong việc áp dụng vào mạng IP Để khắc phục những vấn đề này, IETF đã phát triển kiến trúc chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS).
DiffServ MPLS giúp cải thiện và định tuyến linh động trong mạng IP Điều cơ bản của
MPLS tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền tải các gói tin, dựa vào các lớp chuyển tiếp tương đương FEC được gán nhãn trước khi gửi đi.
Tất cả các gói tin có cùng FEC sẽ được gán nhãn giống nhau và được truyền qua cùng một đường trong mạng MPLS, được gọi là đường chuyển mạch nhãn (LSP).
MPLS sử dụng kỹ thuật trao đổi nhãn để tăng tốc độ chuyển tiếp gói tin, giúp quá trình truyền tải diễn ra nhanh hơn so với mạng IP truyền thống.
2.2.1 Các vấn đề khi mạng không đƣợc hỗ trợ QoS ( Quality of Service )
Mạng không hỗ trợ QoS thường gặp phải các vấn đề như: tiếng nói khó hiểu, âm thanh không rõ ràng, bị ngắt quãng và hình ảnh không ổn định.
Bảng 2.1: Các hiện tượng khi mạng không được hỗ trợ dịch vụ
Các lưu lượng ứng dụng Hiện tượng
- Âm thanh không rõ hay bị ngắt quảng
- Trễ làm cho cuộc đối thoại không đồng bộ và khó khăn trong giao tiếp…
Hình ảnh_Video - Hình ảnh không đồng bộ với âm thanh
Dữ liệu_Data - Trễ và mất gói tin tăng cao…
2.2.2 Tầm quan trọng của QoS (Quality of Service )
Các nhà kinh doanh cần cải thiện chất lượng dịch vụ để thu hút khách hàng, trong khi các nhà cung cấp dịch vụ cần mở rộng dịch vụ gia tăng để tăng lợi nhuận Giải pháp là tăng số lượng thuê bao mà vẫn tiết kiệm chi phí đầu tư và tài nguyên băng thông Đối với mạng IP truyền thống không áp dụng QoS, việc giải quyết tắc nghẽn đòi hỏi băng thông lớn, điều này không khả thi cho các nhà cung cấp Do đó, yêu cầu về QoS trở nên thiết thực và cần thiết để nâng cao chất lượng dịch vụ IPTV, đặc biệt trong bối cảnh hội tụ công nghiệp mạng hiện nay.
2.2.3 Đánh giá chất lƣợng dịch vụ - QoS
Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS
Chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) được IETF giới thiệu vào năm 1997 nhằm cải thiện khả năng định tuyến của lớp mạng MPLS là một kỹ thuật chuyển mạch gói, sử dụng nhãn để chuyển tiếp gói tin, và được coi là công nghệ lớp đệm (shim layer), nằm giữa lớp 2 và lớp 3, thường được gọi là lớp 2,5.
Kiến trúc MPLS bao gồm hai phần chính: phần chuyển tiếp (mặt phẳng dữ liệu) và phần điều khiển (mặt phẳng điều khiển) Phần chuyển tiếp sử dụng cơ sở dữ liệu thông tin chuyển tiếp nhãn (LFIB) để thực hiện việc chuyển tiếp các gói tin, trong khi phần điều khiển có nhiệm vụ trao đổi thông tin định tuyến và nhãn giữa các nút mạng.
Kiến trúc miền MPLS đơn giản bao gồm hai phần chính: phần lõi (Core) và phần biên (Edge) Trong đó, các bộ định tuyến lõi được gọi là bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LSR (Label Switching Router), còn các bộ định tuyến ở biên được gọi là bộ định tuyến nhãn biên LER (Label Edge Router).
Hình 2.9: Kiến trúc miền MPLS
LER assigns and removes labels for packets, while LSR forwards packets based on the labels in the Shim header between the link layer and the network layer The Label Switched Path (LSP) connects the ingress LER.
LER (Label Edge Router) cùng với LER ngỏ ra (Egress LER) được thiết lập bởi các LSR (Label Switch Router) để chuyển các gói tin qua miền mạng Tại Router biên, các luồng lưu lượng được nhận diện thông qua việc phân tích một số trường trong mào đầu của gói tin, và sau đó được chuyển vào các LSP (Label Switched Path) riêng biệt dựa trên thuộc tính COS (Class of Service) hoặc QoS (Quality of Service) của chúng.
2.3.4 MPLS Header ( Tiêu đề nhãn MPLS )
Hình 2.10: Tiêu đề nhãn MPLS[13]
Gán nhãn gói tin diễn ra trong tiêu đề Shim header, với tiêu đề nhãn MPLS dài 32 bit, nằm giữa tiêu đề lớp 2 và lớp 3 Shim header có khả năng chứa một hoặc nhiều entry nhãn phục vụ cho LSP, và mỗi entry nhãn được phân chia thành nhiều trường khác nhau.
Nhãn_Label là 20 bit đầu tiên được sử dụng cho nhãn trong gói tin, cho phép "dán chồng" nhiều nhãn vào nhau, tất cả được lưu trữ trong ngăn xếp nhãn (label stack) Ngăn xếp nhãn là tập hợp các entry nhãn được tổ chức theo nguyên tắc FIFO Tại mỗi nút, chỉ có nhãn hiện hành ở đỉnh ngăn xếp được xử lý, và nhãn này sẽ được LSR sử dụng để chuyển tiếp gói tin Nếu gói tin không có nhãn, ngăn xếp nhãn sẽ rỗng, với độ sâu bằng 0.
- Bit thực nghiệm_EXP: 3 bit dùng cho phân lớp dịch vụ (Exp/Cos) [13][21]
Bit S (Bottom of stack) là một bit xác định nhãn cuối cùng trong ngăn xếp nhãn Khi nhãn nằm ở đáy ngăn xếp, bit S sẽ có giá trị là 1, trong khi các nhãn khác sẽ có giá trị bit S là 0.
Thời gian sống (TTL - Time To Live) là 8 bit, được sử dụng để ngăn chặn việc chuyển tiếp vòng lặp và điều chỉnh đường đi của gói tin Mỗi LSR (Label Switch Router) sẽ thiết lập thời gian sống TTL, và bộ đếm sẽ giảm 1 giá trị TTL khi gói tin đi qua từng LSR trên đường truyền Khi giá trị TTL đạt 0, LSR sẽ loại bỏ gói tin đó.
2.3.5 Đường chuyển mạch nhãn - LSP ( Label Switched Path )
LSP (Label Switched Path) là đường nối giữa bộ định tuyến ngỏ vào (Ingress LER) và bộ định tuyến ngỏ ra (Egress LER), được thiết lập bởi các bộ định tuyến LSR để chuyển các gói tin qua mạng Quá trình này được thực hiện thông qua các thủ tục hoán đổi nhãn do các LSR định nghĩa.
Hình 2.11: Đường chuyển mạch nhãn LSP
2.3.6 Lớp chuyển tiếp tương đương - FEC ( Forwarding Equivalence Class )
FEC là một tập hợp các gói tin được xử lý đồng nhất bởi một LSR, cho phép nhóm các gói IP được chuyển tiếp qua cùng một đường chuyển mạch nhãn LSP Các gói này được đối xử như nhau và có thể được ánh xạ vào một nhãn bởi bộ định tuyến LSR.
2.3.7 Kỹ thuật lưu lượng MPLS ( MPLS – TE)
Kỹ thuật lưu lượng MPLS đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các kết nối và tối ưu hóa tài nguyên mạng Nó đảm bảo việc chuyển tiếp lưu lượng từ nguồn đến đích một cách hiệu quả, đồng thời xem xét các ràng buộc khác nhau trong quá trình này.
Chuyển tiếp lưu lượng trên các mạng IP không khả dụng do quá trình thực hiện tại mỗi nút dựa vào địa chỉ đích một cách độc lập Ngược lại, kỹ thuật MPLS cho phép định tuyến thông qua việc thiết lập LSP để tính toán đường đi, từ đó tạo ra trạng thái chuyển tiếp MPLS và ánh xạ các gói tin vào LSP cụ thể Việc ánh xạ và chuyển tiếp gói tin diễn ra độc lập trên nhãn, cho phép tất cả các nút trung gian thực hiện chuyển tiếp gói tin một cách độc lập.
Trung kế lưu lượng được thiết lập nhằm thực thi TE trong miền MPLS, với việc định nghĩa là quá trình chọn lựa các luồng lưu lượng trong một LSP.
Kết hợp DiffServ – MPLS
Prec/DSCP được ánh xạ đến trường
Hình 2.12: Minh họa ánh xạ truờng DSCP đến EXP
MPLS cung cấp kỹ thuật lưu lượng cho DiffServ, trong khi DiffServ hỗ trợ MPLS về kiến trúc QoS, tạo ra sự kết hợp khả thi cho mạng Thách thức đối với DiffServ là các LSR có thể chuyển tiếp gói tin dựa vào nhãn MPLS hoặc trường DSCP Để khắc phục hạn chế này, IETF đề xuất giải quyết hai thông tin DiffServ trong Shim header MPLS, cho phép áp dụng trong các mạng hỗ trợ ít hơn 8 PHB, tức là 3 bit thực nghiệm.
(EXP) của tiêu đề MPLS được sử dụng để ánh xạ các DSCP và mỗi việc kết hợp EXP được thể hiện như hình 2.12 và bảng 2.8
Bảng 2.8: Ánh xạ giữa trường DSCP và EXP[21]
Expedited Fowarding (EF) Assured Fowarding (AF1) AF2 AF3
2.4.1 Đường chuyển mạch nhãn E-LSP
E-LSP là một kiểu LSP có thể truyền tải đồng thời nhiều lớp lưu lượng Các LSR sử dụng trường EXP (CoS) trong tiêu đề Shim header để suy ra PHB mà gói tin yêu cầu Hình 2.13 minh họa một mạng MPLS sử dụng E-LSP, trong trường hợp này có 2
E-LSP giữa A và D, mạng hỗ trợ 3 lớp dịch vụ: EF, AF1 và AF2[15]
2.4.2 Đường chuyển mạch nhãn L-LSP
L-LSP là một kiểu LSP chỉ truyền tải duy nhất một lớp lưu lượng Các LSR có thể suy ra lớp liên kết với gói tin từ nhãn và xác định chính xác PHB sử dụng nhãn kết hợp với trường EXP Hình 2.14 có bốn L-LSP giữa nút A và D, mạng hỗ trợ 3 lớp lưu lượng: EF, AF1 và AF2[15].
Các thuật toán
2.5.1 Loại bỏ gói tin ngẫu nhiên sớm RED (Random Early Detection)
RED phát hiện tắc nghẽn và loại bỏ gói tin ngẫu nhiên từ bộ đệm thông qua hai module chính: module dự báo tắc nghẽn và module hiện trạng loại bỏ gói tin Module dự báo tắc nghẽn ước lượng hành vi lưu lượng trong bộ đệm theo thời gian để phát hiện khả năng tắc nghẽn, dựa vào chiều dài hàng đợi (N) và kích thước bộ đệm hàng đợi (B) Một phương pháp khác là sử dụng thuật toán thời gian trung bình của hàng đợi, cho ra chiều dài hàng đợi trung bình trọng số (Nη) Tỷ lệ phần trăm bộ đệm bị đầy, ký hiệu là α, được tính theo công thức α = Nη/ B Module hiện trạng loại bỏ gói tin thiết lập các ngưỡng khống chế α min và αmax, từ đó đánh dấu hoặc loại bỏ gói tin theo hàm xác suất p.
Hình 2.15: Kiến trúc giải thuật RED[2]
Hình 2.16: Sơ đồ loại bỏ gói tin của RED theo p[2]
2.5.2 Loại bỏ gói tin ngẫu nhiên sớm theo trọng số WRED (Weighed Random
WRED là phiên bản nâng cấp của RED, áp dụng kỹ thuật loại bỏ gói sớm có trọng số Khác với RED, WRED sử dụng nhiều hồ sơ loại bỏ gói cho từng hàng đợi, thay vì chỉ một hồ sơ cho tất cả hàng đợi.
2.5.3 Hàng đợi cân bằng theo trọng số WFQ (Weighed Fair Queuing)
WFQ (Weighted Fair Queuing) là thuật toán xếp hàng lưu lượng có trọng số, được phát triển để khắc phục những hạn chế của mô hình hàng đợi công bằng FQ Mô hình WFQ cho phép phân bổ băng thông một cách công bằng hơn cho các luồng dữ liệu khác nhau, từ đó cải thiện hiệu suất và chất lượng dịch vụ trong mạng.
Các gói tin được phân lớp theo lưu lượng và sử dụng nguyên tắc FIFO (vào trước ra trước) để xếp hàng Trong trường hợp tất cả các lưu lượng có cùng ưu tiên trọng số, WFQ sẽ phân chia băng thông đồng đều cho tất cả Bộ lập lịch sẽ gửi các gói tin từ các hàng đợi dựa trên thứ tự đã được tính toán thời gian hoàn tất.
2.5.4 Hàng đợi cân bằng theo trọng số dựa trên cơ sở lớp CBWFQ (Class–Based
Thuật toán CBWFQ (Class-Based Weighted Fair Queuing) là một phương pháp xếp hàng lưu lượng có trọng số dựa trên lớp, trong đó các luồng lưu lượng được phân nhóm thành m lớp Băng thông của cổng ra được phân phối cho các lớp này dựa trên trọng số yêu cầu băng thông của từng lớp.
100 (Công thức 2-1) m : Số lớp lưu lượng
W i : Trọng số băng thông cổng ra cho lớp i
Trong hình 2.18, việc lập lịch cho hàng đợi CBWFQ được thực hiện bằng cách sử dụng hàng đợi WFQ Mỗi lớp sẽ có các luồng riêng biệt được lập lịch bởi hàng đợi WFQ, với số lượng hàng đợi WFQ trong lớp i được ký hiệu là N i Tổng số hàng đợi WFQ có thể được tính theo công thức 2-2.
Trọng số cấp cho hàng đợi WFQj trong lớp i được tính bởi công thức 2-3
W ij : Trọng số băng thông cổng ra cho hàng đợi thứ j trong lớp i
W i : Trọng số băng thông cổng ra cho lớp i w ij : Trọng số băng thông hàng đợi thứ j trong lớp i
MÔ PHỎNG IPTV TRÊN OPNET
Vấn đề về mô phỏng
Chất lượng dịch vụ IPTV được xác định qua các thông số như thông lượng, độ trễ, độ trượt và tỉ lệ mất gói tin khi truyền tải qua mạng Khi mạng xảy ra tình trạng tắc nghẽn cao, khả năng xử lý của mạng cần được đánh giá để đảm bảo chất lượng dịch vụ theo yêu cầu Chương này sẽ sử dụng công cụ mô phỏng OPNET 14.5 để mô phỏng một số kịch bản, từ đó minh chứng cho khả năng hoạt động của mạng trong việc duy trì chất lượng dịch vụ IPTV Thông tin chi tiết về cấu hình thuộc tính mạng có thể được tham khảo trong phần phụ lục.
Công cụ mô phỏng – OPNET 14.5
Lý do chọn OPNET là tính phổ biến và khả năng miễn phí cho các trường Đại học, Học viện, mặc dù đây là phần mềm thương mại Phiên bản OPNET 14.5 cung cấp nhiều thư viện phong phú, đặc biệt hỗ trợ cho DiffServ và MPLS.
OPNET 14.5 chạy trên môi trường Widows XP và liên kết với ngôn ngữ C Các bước cài đặt được thực hiện như sau:
- Bước1: Cài Microsoft Visual Studio 2005 (cài Full)
- Bước 2: Cài OPNET 14.5.A bao gồm: a modeler_ 145A_PL8_7808_Win.exe b modeler_ docs_02-Sep-2008_Win.exe c models_ 145A_PL8_24Sep08_Win.exe
- Bước 3: Cấu hình lại (đường dẫn, các hàm) trong hệ thống (bước quan trọng)
- Bước 4: Chạy tập tin Crack (OPNET.Modeler.14.5, Licence.Maker FFS).
Mô phỏng IPTV trên OPNET
Mục tiêu của mô phỏng là đánh giá khả năng chịu tải của cấu trúc mạng trong các kịch bản khác nhau Cụ thể, việc thay đổi tải sẽ bao gồm việc tăng lưu lượng Video, Voice, FTP và HTTP, cũng như tăng tải lưu lượng nền, từ mức nghẽn thấp đến cao để phân tích và đánh giá chất lượng mạng Thực nghiệm được thực hiện trên cùng một cấu trúc mạng, áp dụng các kỹ thuật như Baseline, DiffServ và DiffServ - MPLS.
3.3.1 Cấu hình mạng mô phỏng
Cấu hình mạng mô phỏng được thực hiện thông qua 9 nút mạng (2 nút biên và 7 nút lõi) cùng với 6 cặp truyền và nhận tín hiệu cụ thể như sau:
- Router biên: Ethernet2_slip8_ler
- Router lõi: Ethernet2_slip8_lsr
- Máy trạm_Client: Ethernet_wkstn_adv
- Máy chủ_Server: Ethernet_Server_adv
- Kết nối các máy trạm, máy chủ với Router biên: 10BaseT hai chiều
- Kết nối các Router: PPP_adv 20Mbps hai chiều, tải lưu lượng nền được cài đặt tăng từ 85% đến 95%
- Cấu hình các ứng dụng: Application_Config
- Cấu hình các profile: Profile_Config
- Cấu hình các dịch vụ: QoS_Config
- Cấu hình chuyển mạch nhãn đa giao thức: MPLS_Config (FEC và trung kế lưu lượng )
- Đường chuyển mạch nhãn tĩnh: MPLS_E-LSP_STATIC, tạo các bản định tuyến tĩnh tại mỗi nút mà LSP đi ngang qua
3.3.2 Các kịch bản mô phỏng
Thực nghiệm được chạy trên OPNET 14.5 với các lưu lượng ứng dụng Video,
Voice, Ftp, Http (phụ lục bảng P.1 đến P.6) cùng với 9 kịch bản cụ thể như sau:
- Kịch bản 1_ Baseline: Không thực thi QoS, lưu lượng Ftp, Http, Voice cùng với
3 ứng dụng Video có độ phân giải khác nhau, mức lưu lượng nền là 85%
- Kịch bản 2_DiffServ: Dựa trên kịch bản 1 nhưng thực thi QoS
- Kịch bản 3_DiffServ- MPLS: Phát triển từ kịch bản 2 kết hợp với MPLS
- Kịch bản 4,5,6: Dựa trên kịch bản 1,2,3 nhưng tăng tải lưu lượng đầu vào để xem xét khả năng chịu tải của mạng
Kịch bản 7, 8, 9 được xây dựng dựa trên kịch bản 4, 5, 6, với mục tiêu tăng mức lưu lượng nền lên 95% để đánh giá khả năng của mạng khi chịu tải cao Các kịch bản này sẽ giúp phân tích hiệu suất và độ ổn định của hệ thống trong điều kiện khắc nghiệt.
1 Kịch bản 1: Low_Video_Baseline
2 Kịch bản 2: Low_Video_DiffServ
3 Kịch bản 3: Low_Video_DiffServ_MPLS
4 Kịch bản 4: Mid_Video_Baseline
5 Kịch bản 5: Mid_Video_DiffServ
6 Kịch bản 6: Mid _Video_DiffServ_MPLS
7 Kịch bản 7: High_Video_Baseline
8 Kịch bản 8: High_Video_DiffServ
9 Kịch bản 9: High _Video_DiffServ_MPLS
3.3.2.1 Kịch bản 1: Low_Video_Baseline
Hình 3.1 thể hiện kịch bản 1_Baseline, trong đó các gói tin được truyền từ nguồn đến đích qua miền lõi với dịch vụ Best-Effort Tất cả các Router trong hệ thống đều được cấu hình để hỗ trợ quá trình truyền tải này.
Baseline DiffServ và MPLS không có hiệu lực, cấu hình gồm: 3 cặp Video, một cặp
Ftp, một cặp Http và một cặp Voice Mạng bao gồm 9 Router (7 Router miền lõi và 2
Router miền biên được kết nối với nhau qua đường truyền ppp_adv 20Mbps, với lưu lượng nền đạt 85% Mạng sử dụng giao thức định tuyến OSPF để thực thi các chức năng của nó.
Hình 3.1: Cấu hình mạng Low_Video_Baseline
3.3.2.2 Kịch bản 2: Low_Video_DiffServ
Hình 3.2: Cấu hình mạng Low_Video_DiffServ
Kịch bản 2_DiffServ, dựa trên kịch bản 1, thực hiện QoS bằng cách phân lớp các luồng lưu lượng khác nhau tại Router biên LER_1 Cấu hình QoS được tóm tắt ngắn gọn như sau:
- Phân lớp và đánh dấu lưu lượng
- Lập lịch, áp dụng CBWFQ[22]
- Cấu hình phân lớp dựa trên DSCP[15][16]
- Cấu hình chính sách lưu lượng áp dụng WRED[2][4][22]
3.3.2.2.1 Phân lớp và đánh dấu lưu lượng
QoS dựa vào việc phân lớp lưu lượng để cung cấp các chất lượng dịch vụ khác nhau, trong đó lưu lượng được phân loại dựa trên trường DSCP ACL đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện và quản lý lưu lượng.
Video, Voice, Ftp, Http…Cấu hình ACL được mô tả cụ thể trong phụ lục A bảng A.7
Sau khi phân lớp, các lưu lượng được đánh dấu để thể hiện yêu cầu về chất lượng dịch vụ Việc đánh dấu này có thể diễn ra ở tiêu đề lớp 2 hoặc lớp 3 Trong lớp 3, có hai phương pháp để đánh dấu: sử dụng 3 bit đầu tiên của trường TOS hoặc áp dụng phương pháp khác.
6 bit của truờng DSCP Trong thực nghiệm đánh dấu lớp 3 cho các lưu lượng Voice,
Video, FTP và HTTP sử dụng trường DSCP để đánh dấu lưu lượng, với quá trình này diễn ra tại Router biên LER_1 Lưu lượng được chuyển tiếp dựa vào trường DSCP và việc thực thi các chính sách đối xử.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét hai nhóm tiêu chuẩn đối xử từng chặng PHB, bao gồm nhóm chuyển tiếp đảm bảo AF với bốn lớp AF1x đến AF4x và nhóm chuyển tiếp nhanh EF Theo cấu trúc mạng hình 3.2, lưu lượng video được tiếp nhận từ Video_Source_1 và Video_Source_2.
Video_Source_3 được đánh dấu theo phân lớp AF11, AF12, AF13; Ftp phân lớp
AF21; Http phân lớp AF41và Voice được phân lớp EF
CBWFQ[4][13][31] được định nghĩa dựa trên các tham số chất lượng dịch vụ QoS
Tổng băng thông là 100 % được gán cho các lớp AF11, AF12, AF13, AF21, AF41 và
Trong mô hình thực nghiệm, băng thông được cấu hình theo chế độ Relative, cho phép lượng băng thông không sử dụng hoặc không hết của một lớp lưu lượng được chuyển giao cho các lớp lưu lượng khác Phân lớp EF được ưu tiên Enable và được áp dụng cho lưu lượng Voice, do tính nhạy cảm của nó với độ trễ và mất gói tin Thông tin chi tiết về cấu hình có thể được tìm thấy trong bảng P.9 của phụ lục.
WRED[2][4][22][13][31] được định nghĩa từ thuộc tính các tham số IP QoS,
WRED phân loại lưu lượng dựa trên DSCP, với từng thuộc tính QoS được cấu hình tại cổng ra của Router biên LER_1 Thông tin chi tiết về các tham số cấu hình sẽ được cung cấp.
WRED đề nghị xem trong phần phụ lục bảng P.10, P.11
3.3.2.2.4 Cấu hình chính sách lưu lượng
Trong OPNET 14.5, các chính sách được thiết lập và cấu hình tại giao tiếp vào/ra của Router thông qua các tham số IP QoS Cấu hình chi tiết được trình bày trong phụ lục bảng P.12 Chính sách lưu lượng được định nghĩa bằng cách kết hợp cấu trúc lập lịch CBWFQ (Class-Based Weighted Fair Queuing) và chính sách WRED.
(Traffic_Policy) và được áp dụng đối với giao tiếp ra của Router biên LER_1, lập lịch và tránh nghẽn được hỗ trợ trực tiếp tại ngõ ra
3.3.2.3 Kịch bản 3: Low_Video_DiffServ_MPLS
Hình 3.3: Cấu hình mạng Low_Video_DiffServ_MPLS
Cấu hình kịch bản 3 sử dụng DiffServ và MPLS, trong đó các gói tin được đánh dấu phù hợp bằng các bit EXP, giúp phân lớp tại Router biên.
Mục tiêu chính của việc thiết lập LSP là hạn chế tắc nghẽn trong mạng bằng cách cân bằng tải, tránh việc một số lưu lượng không tuân theo nguyên tắc OSPF khi truyền gói tin Trong kịch bản 1 và 2, đường đi từ LER_1 đến LSR_4 bị tập trung sử dụng, dẫn đến nguy cơ quá tải, trong khi các kết nối từ LER_1 đến LSR_1 và LER_1 đến LSR_5 lại không được khai thác Do đó, trong kịch bản 3, việc giảm tải trên đường LER_1->LSR_4 sẽ được thực hiện thông qua việc thiết lập các LSP mới để định hướng lưu lượng một cách hiệu quả hơn.
LSP_1 được thiết lập theo tuyến LER_1->LSR_1->LSR_2->LSR_3->LER_2; LSP_2 được thiết lập theo tuyến LER_1->LSR_4->LER_2 và LSP_3 được thiết lập theo tuyến
LER_1->LSR_5->LSR_6->LSR_7->LER_2 Cấu hình MPLS được thực thi trên
MPLS_Config, các Router được chỉ định thuộc tính DiffServ_MPLS[31]
Các LSP được thiết lập nhằm đáp ứng các lưu lượng truy cập Trước khi cấu hình LSP, mạng MPLS cần thực hiện giao thức định tuyến OSPF trên các Router.
