VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CDIT
Tóm tắt: Traffic engineering (TE) have an important role in the forecast, design and optimization of the Telecom network based on circuit switching (TDM) with mainly voice service. When NGN or most recently FMC network appeared, the same efficient tools to plan and optimize the network have been expected, as with TDM network before. At the begining, there’s efforts to expand the existing tools, however trials have showed that these tools were unusable (such as Poisson model), the reason is NGN/FMC is multi-service network based on IP package-switching technology so that the traffic characteristics are quite different from the voice centric network. Many new traffic models have been poroposed but none of them was a comprehensive one. This article introduces the traffic techniques on the new generation Telecom network, gathering information about some new traffic models and analyzing the method to apply traffic techniques when there is no standard traffic model shown yet.
Kỹ thuật lưu lượng (TE) đã đóng một vai trò quan trọng trong việc dự báo, thiết kế và tối ưu mạng Viễn thông dựa trên chuyển mạch kênh (TDM) với dịch vụ thoại là chủ yếu. Khi mạng NGN hay gần đây nhất là mạng FMC ra đời người ta cũng mong muốn có các công cụ hữu hiệu để quy hoạch và tối ưu mạng như đã làm với mạng TDM trước đây. Thời kỳ đầu, người ta cố gắng mở rộng các công cụ đã có cho mạng mới, tuy nhiên các phép thử đã cho thấy các công cụ này không dùng được nữa (ví dụ mô hình Poisson chẳng hạn), lý do ở đây là mạng NGN/FMC là mạng đa dịch vụ và dựa trên công nghệ chuyển mạch gói IP nên các đặc tính của các luồng lưu lượng khác hẳn mạng Voice thuần tuý. Nhiều mô hình lưu lượng mới cũng đã được đưa ra nhưng chưa có mô hình nào đủ tổng quát như mong muốn. Bài báo này giới thiệu về kỹ thuật lưu lượng trên mạng Viễn thông thế hệ mới, tổng hợp một số thông tin về một số mô hình lưu lượng mới và phân tích cách thức ứng dụng kỹ thuật lưu lượng khi chưa có một mô hình lưu lượng chuẩn.
1. Giới thiệu
Mạng FMC (Fixed Mobile Convergence) được xây dựng trên cơ sở hạ tầng mạng chuyển mạch gói IP và cung cấp các loại hình dịch vụ Viễn thông: Voice, video, data..v.v. Phương thức truy nhập sử dụng các công nghệ wireline, wireless (3G, Wifi, Wimax, PHS..). Ứng dụng của kỹ thuật lưu lượng trên mạng FMC là nghiên cứu đặc tính của người sử dụng dịch vụ, loại hình dịch vụ và tính chất của các luồng dữ liệu trao đổi giữa các đối tượng trên mạng từ đó khái quát nên các mô hình chuẩn. Dựa vào các mô hình được khái quát hoá này người ta xây dựng ra các lý thuyết và công cụ khác nhau cho việc tiết kế, tổ chức mạng đảm bảo được các yêu cầu của dịch vụ khác nhau và tránh được các hiện tượng tắc nghẽn.
Nghiên cứu về lưu lượng đã rất thành công trong thế hệ mạng chuyển mạch kênh PSTN (với lưu lượng voice chủ yếu) truyền thống, trong thế hệ mạng này các mô hình lưu lượng chuẩn đã được xây dựng và là công cụ hữu hiệu để hỗ trợ các quá trình khác nhau trong sự phát triển của mạng. Một số các lý thuyết, mô hình là công cụ hữu hiệu trong việc thiết kế, tối ưu và giải quyết các vấn đề hiệu năng mạng như: tiến trình Poisson, công thức Elang-B, lý thuyết hàng đợi ứng dụng.[1][9].
Khi các kỹ thuật chuyển mạch gói bắt đầu hình thành, (ATM, X25 và tiếp sau là IP..), các mạng này chủ yếu cho việc truyền số liệu. Nguồn lưu lượng dữ liệu trên các mạng chuyển mạch gói này có tính chất ON/OFF, trong đó chu kỳ ON là thời gian truyền dữ liệu và OFF là khoảng thời gian không truyền. Do tính đơn giản, các tiến trình Poisson và Markov cũng đã được dùng cho mạng chuyển mạch gói này. Khi sử dụng các mô hình đơn giản này các chu kỳ ON hoặc OFF bộc lộ tính chất phân bố của nó có dạng hình học hay hàm mũ. Lưu lượng thể hiện tính không nhớ (Memoryless) nghĩa là sự phụ thuộc nhau thời gian ngắn (SRD-short range dependence). Các nguồn lưu lượng gom (lưu lượng gộp) sẽ thể hiện như nhiễu trắng (white noise).
Nhiều phân tích gần đây về các lưu lượng trên mạng chuyển mạch gói IP của các mạng LAN/WAN với các ứng dụng FTP, WWW, Email, Video.. đã cho thấy tính chất tự tương đồng (self-similar) với time scale khác nhau đang tồn tại một cách tự nhiên trong các lưu lượng này mà trước đây đã bỏ qua đồng thời cũng cho thấy các mô hình lưu lượng truyền thống như Poisson không còn đúng cho việc phân tích các lưu lượng mới này nữa[2]
Với mong muốn đưa ra được các mô hình tương tự cho thế hệ mạng Viễn thông dựa trên công nghệ chuyển mạch gói IP và gần đây nhất là mạng hội tụ FMC người ta cũng đã bắt tay vào nghiên về lưu lượng trên mạng này.
2. Mạng FMC và các dịch vụ tiêu biểu
Trên mạng FMC là mạng Viễn thông thế hệ tiếp theo có sự hội tụ giữa mạng cố định và di động. Trên mạng FMC nhiều loại dịch vụ khác nhau nhưng có thể thấy 3 loại dịch vụ tiêu biểu là các dịch vụ trong nhóm Triplay services: VoIP (thoại qua mạng IP), IPTV (dịch vụ xem Tivi qua mạng IP) và HSI (Truy nhập Internet tốc độ cao).
Dịch vụ VoIP là thế hệ tiếp theo của dịch vụ thoại PSTN truyền thống được xây dựng trên cơ sở hạ tầng mạng IP. Trong mạng này, các luồng dữ liệu voice sẽ được gói thành các packet và chuyển phát trên mạng IP, Để tiết kiệm băng thông, một số kỹ thuật mã hoá (codec) và kỹ thuật triệt khoảng lặng được sử dụng tại phía phát nhằm giảm tốc độ bít. Các kỹ thuật mã hoá phổ biến là G711, G723, G729..
Dịch vụ IPTV/VoD, P2P IPTV cung cấp các luồng thông tin Voice và Video đến một nhóm khách hàng sử dụng dịch vụ quảng bá cho một nhóm khách hàng (IPTV-multicast) hay cho từng khách hàng (VoD). Dữ liệu trong dịch vụ này cũng là dạng dữ liệu video + voice thời gian thực (Soft-realtime).
Dịch vụ truy nhập Internet tốc độ cao là loại hình dịch vụ Internet truyền thống nhưng có yêu cầu cao hơn về chất lượng dịch vụ và loại hình dịch vụ. Lưu lượng này bao gồm dữ liệu thông tin trao đổi trong quá trình duyệt web, truyền file, email..
Trên mạng FMC các lưu lượng Internet và Multimedia có dạng ON/OFF. Ví dụ với dịch vụ Web, chu kỳ ON thể hiện việc tải trang web và chu kỳ OFF thể hiện thời gian đọc thông tin.
3. Một số tính chất của lưu lượng trên mạng FMC
Một số thuộc tính của các luồng dữ liệu trên mạng mới đã được chỉ ra như:
Hình 1: So sánh lưu lượng Poisson và Self-similar
Hình 2: SRD và LRD
Phân bố Heavy-tailed/ long-tailed: Một bộ phận lớn trong xác suất tập trung cao ở phía đuôi của sự phân bố so với phân bố hàm mũ. Điển hình của tính chất này được thể hiện trong phân bố Pareto[4] và Weibull[5]. Hình 3 so sánh giữa phân bố Heavy-tailed và phân bố hàm mũ.
Hình 3: Phân bố Heavy-tailed và phân bố hàm mũ (exponential)
Sự phân bố các chu kỳ ON/OFF khác nhau đối với các ứng dụng cụ thể trên mạng này[8][11][19][21]:
4. Một số mô hình lưu lượng mới
Với một số đặc tính mới của các luồng lưu lượng trên mạng FMC như trên đây, thời gian qua có một số mô hình lưu lượng được nghiên cứu và đề xuất áp dụng[11][17][19]:
Thực tế, mỗi trong các mô hình lưu lượng trên chỉ thích hợp với một loại lưu lượng nhất định. Về lý thuyết, trong tương lai các lưu lượng ngày càng trở nên gần giống với các quá trình Gaussan[12][19], ở đó ảnh hưởng của các luồng lưu lượng đơn sẽ ngày càng ít ý nghĩa trong nguồn lưu lượng gộp. Tuy nhiên tại thời điểm hiện tại lưu lượng thực tế chưa ở đâu giống với mô hình Gaussan. Thời gian qua nhiều cố gắng đã được thực hiện nhằm đưa ra công thức tổng quát tương tự như Erlang trong mạng PSTN áp dụng cho mạng mới nhưng chưa có cố gắng nào đưa ra được công thức phù hợp cho vai trò này. Hiện tại, các luồng lưu lượng gộp vẫn chưa phải là mang tính điển hình để bỏ qua vai trò của các luồng lưu lương riêng rẽ và việc nghiên cứu các mô hình lưu lượng vẫn tiếp tục. Nói tóm lại, hiện vẫn chưa có một mô hình lưu lượng chuẩn được chấp nhận rộng rãi cho các lưu lượng trên mạng FMC và một công cụ hữu hiệu như trong mạng PSTN chưa đạt được.
5. Giải pháp về đảm bảo QoS trên mạng thế hệ mới khi chưa có các lý thuyết đầy đủ về lưu lượng
Trong khi chưa đạt tới sự chín trong nghiên cứu về mô hình lưu lượng trong FMC nghĩa là chưa có các công cụ thiết kế hữu hiệu, một kỹ thuật khác được sử dụng để kiểm soát chất lượng dịch vụ (QoS) đó là kỹ thuật quản lý lưu lượng[19]. Các kỹ thuật liên quan đến quản lý lưu lượng có thể bao gồm: Quản lý đầu vào (admision control), phân lớp lưu lượng (traffic classification), xử lý hàng đợi (queueing), định tuyến QoS (QoSR), đánh lịch phân phát gói (scheduling) và kiểm soát các lưu lượng ra (traffic sharping), hand-over …
Đối với các nhà khai thác Viễn thông lớn (carrier, operator) việc đảm bảo QoS cho các dịch vụ do mình cung cấp là rất quan trọng, do vậy các nhà khai thác lớn thường đầu tư trang thiết bị đảm bảo dư thừa lưu lượng trong mạng do mình quản lý. Việc kiểm soát đầu vào tại các ngõ vào của mạng (các ngõ này kết nối với các mạng của nhà khai thác khác hay mạng Internet) được thực hiện nhằm để hạn chế các yêu cầu từ bên ngoài vào khi lưu lượng bên trong đã cạn.
Sự phân lớp lưu lượng cho phép các nút mạng xử lý có ưu tiên đối với các luồng lưu lượng của các dịch vụ đòi hỏi yêu cầu chất lượng cao (ví dụ các dữ liệu yêu cầu tính thời gian thực VoIP, Video). Các gói tin có ưu tiên cao sẽ được đánh lịch phát trước.
Các kỹ thuật hàng đợi cũng được cải tiến rất nhiều so với các kỹ thuật áp dụng cho mạng TDM, ATM trước đây: Weighted Fair Queuing (WFQ), Weighted Round Robin (WRR), Priority Queuing (PQ), Custom Queuing (CQ), Class Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ). Hiện nay, để cải tiến QoS các thiết bị mạng bao gồm cả các thiết bị phía khách hàng (mạng đo thị -MAN, mạng wifi 802.11e hay Wimax băng rộng 802.16) có khả năng kiểm soát QoS đề từng người dùng và từng dịch vụ bằng cách tạo cho từng user/dịch vụ các hàng đợi riêng, tính chất của hàng đợi phụ thuộc dịch vụ cụ thể.
Việc kiểm soát lưu lượng ra (sharping) nhàm kiểm soát băng thông dùng bởi 1 khách hàng hay một hướng nào đó không vuợt quá mức danh định cho phép. Ở đây người ta sử dụng các kỹ thuật hàng đợi để kiểm soát lưu lượng vượt quá.
Đối với các lưu lượng liên miền hay liên nhà khai thác NGN/FMC thì thực sự khó kiểm soát. Các tổ chức chuẩn hoá Quốc tế đang cố gắng đưa ra một framework cho việc đáp ứng yêu cầu khách hàng về QoS như SLA (Service Level Agreement) framework nhưng trong thực tế chưa có thử nghiệm nào được tiến hành.
Bên cạnh các kỹ thuật chủ động trên, một phương án khác là sử dụng các số liệu thống kê từ giám sát trạng thái mạng (monitor) một cách thụ động [19]. Ở đây, các thông số thống kê được về lưu lượng sẽ được sử dụng hỗ trợ các công việc như định tuyến, quy hoạch lại mạng..
6. Kỹ thuật lưu lượng và định tuyến QoS
Định tuyến QoS là chức năng tìm đường đi trên mạng đảm bảo một số các yêu cầu ràng buộc về QoS (băng thông, trễ, rung pha, tỷ lệ mất gói..) còn kỹ thuật lưu lượng (TE) lại là việc tối ưu tài nguyên mạng dựa trên các tính chất của các luồng lưu lượng thông tin.
Giữa QoSR và TE có điểm chung QoSR và TE đều là các kỹ thuật hướng đến việc sử dụng tài nguyên tối ưu và thoả mãn các yêu cầu truyền thông tin. Điểm tương phản giữa QoSR và TE là QoSR hướng đến việc tìm đường ngắn nhất trong khi TE lại tìm đường có băng thông cao nhất, QoS được xem xét dưới góc độ người dùng còn TE xem xét dưới góc độ mạng, QoSR tập trung vào điểm có tính nhất thời (short-term) trong khi TE lại là vấn đề có tính lâu dài (long-term).
Nếu có một mô hình lưu lượng chuẩn ta có thể xác định được tài nguyên khả dụng trong khoảng lân cận thời điểm xét nếu biết lưu lượng ở thời điểm trước đó và thông số này có thể làm một yếu tố tác động đến quyến định chọn đường đi. Tuy nhiên, như đã giới thiệu phía trên hiện nay chưa có các mô hình lưu lượng chuẩn nào được đưa ra để sử dụng cho mục đích này, việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lưu lượng trong định tuyến QoS còn nhiều thách thức[15]. Ý tưởng có tính khả thi sử dụng kỹ thuật lưu lượng để hỗ trợ định tuyến QoS được thực hiện bằng một số cách như:
Hình 4: Ứng dụng số liệu thống kê lưu lượng cho các bài toán khác nhau
Bên cạnh đó, các thông số thống kê lưu lượng cũng được sử dụng trong QoSR nhằm cân bằng tải trên các tuyến nhất là trong định tuyến QoS liên miền[24][25]…, ở đây các thông tin về lưu lượng được trao đổi giữa các bộ định tuyến thông qua trường thông tin mở rộng của các giao thức OSPF hay BGP.
7. Kết luận
Kỹ thuật lưu lượng đóng vai trò quan trọng trong tổ chức mạng Viễn thông. Lý thuyết về lưu lượng trong thế hệ mạng FMC khác nhiều so với trong mạng PSTN truyền thống và cho đến nay chưa có một mô hình lưu lượng hoàn chỉnh và chưa theo kịp yêu cầu trong việc phát triển của mạng thế hệ mới. Trong khi các nghiên cứu về lưu lượng còn tiếp tục, các cơ chế giám sát, quản lý để kiểm soát QoS hay sử dụng các dữ liệu thống kê lưu lượng về mạng để phục vụ cho mục đích định tuyến QoSR nói riêng hay đảm bảo QoS nói chung thường được sử dụng trong thực tế. Trong tương lai, khi mạng FMC đã ổn định và các dịch vụ trên đó đủ phong phú và mức độ sử dụng cao làm cho ảnh hưởng của các luồng lưu lượng đơn sẽ ít ý nghĩa đi trong một lưu lượng gộp thì mô hình tổng quát như Gaussan có thể hy vọng được sử dụng như mô hình chuẩn.
Tài liệu tham khảo
[1] Richard Parkinson – Traffic engineering techiniqes in Telecomunications-Infotel system, 1985
[2] Vern Paxson and Sally Floyd -Wide-Area Traffic: The Failure of Poisson Modeling – Lawrence Berkeley Laboratory and EECS Division, University of California, Berkeley, 1985
[3] W. Leland, M. Taqqu, W. Willinger, and D. Wilson – On the Self-Similar Nature of Ethernet Traffic (Extended Version)- IEEE/ACM Transactions on Networking, 2(1),pp. 1-15, February 1994.
[4] B. Arnold- Pareto Distributions- International Cooperative Publishing House, Maryland, 1983.
[5] Weisstein, Eric W- Weibull Distribution- From MathWorld – http://mathworld.wolfram.com /WeibullDistribution.html
[6] Pinder, J.E., Wiener, J.G. and Smith, M.H -The Weibull distribution: a new method summarizing – survivorship data -1978
[7] M. Garrett and W. Willinger -Analysis, Modeling and Generation of Self-Similar VBR Video Traffic- Proceedings of SIGCOMM ’94, pp. 269-280, September, 1994.
[8] J¨orn Seger-Modelling Approach for VoIP Traffic Aggregations for Transferring Tele-traffic Trunks in a QoS enabled IP-Backbone Environment -Faculty for Electrical Engineering and Information Technology Department of Electronic Systems and Switching niversity of Dortmund, 2003
[9] Huai Huang -Analysis of self-similar Traffic Using Multiplexer & Demultiplexer Loaded with Heterogeneous ON/OFF Sources – Dept. of Electronic Engineering, Queen Mary, University of London
[10] Thomas Silverston, Olivier Fourmaux and Kav´e Salamatian – Characterization of P2P IPTV Traffic: Scaling Analysis – Universit´e Pierre et Marie Curie – Paris VI, Laboratoire LIP6/CNRS, UMR 7606 104 avenue du pr´esident Kennedy 75016 Paris, France, 2007
[11] Zhili Sun and Lei Liang – IP Network Traffic Measurement and Modelling -Centre for Communication System Research University of SurreyGuildford
[12] R.G. Addie, M. Zukerman, T.D. Neame, Broadband traffic modeling: simple solutions to hard problems, IEEE Communications Magazine 36 (8) (1998
[13] Yantai SHU, Minfang YU, Oliver YANG, Jiakun LIU, and Huifang FENG -Wireless Traffic Modeling and Prediction Using Seasonal ARIMA Models-IEICE TRANS. COMMUN., VOL.E88–B, NO.10 OCTOBER 2005
[14] Young-Tak Kim, Hae-Sun Kim, Hyun-Ho Shin-Web Service based Inter-AS Traffic Engineering for QoS-guaranteed DiffServ Provisioning-School of Electrical Engineering and Computer Science, College of Engineering, Yeungnam University -214-1, Dae-Dong, Kyungsan-Si, Kyungbook, 712-749, KOREA
[15] Henrik Abrahamsson Anders Gunnar-Traffic Engineering in Ambient Networks: Challenges and Approaches-Swedish Institute of Computer Science Box 1263, SE-164 29 Kista, Sweden
[16] Yuekang Yang Chung-Horng Lung-Traffic Forecast in QoS Routing-Department of Systems and Computer Engineering Carleton University, Ottawa, Ontario, Canada Information Society Technologies
[17] Balakrishnan Chandrasekaran – Survey of Network Traffic Models-http://www.cse.wustl.edu/~jain/cse567-06/ftp/traffic_models3/index.html
[18] Sixth Framework Programme – Definition and analysis of TE functions in different network scenarios -Deliverable No: D.WP.JRA.2.3.1
[19] Abbas Jamalipour-The Wireless Mobile Internet, Architectures, Protocols and Service-Wiley-2003
[20] http://www.ist-intermon.org/
[21] Cisco – Traffic Analysis for Voice over IP – Sept 2002
[22] Hedia KOCHKAR, Takeshi IKENAGA and Yuji OIE-QoS Routing Algorithm based on Multi-classes Traffic Load-Department of Computer Science and Electronics , Kyushu Institute of Technology
[23] Yuekang Yang- The Role of Traffic Forecasting in QoS Routing, a Case Study of Time-Dependent Routing-Department of Systems & Engineering, Carleton University, Ottawa, Ontario, Can
[24] K.H. Ho, N. Wang, P. Trimintzios and G. Pavlou – Traffic Engineering for Inter-domain Quality of Service-Centre for Communication Systems Research, University of Surrey, UK
[25] G. Leduca, H. Abrahamsson – An open source traffic engineering toolbox – Computer Communications 29 (2006) 593–610, www.elsevier.com/locate/comcom
Thông tin về tác giả:
Họ tên: Nguyễn Trung Kiên
Tốt nghiệp kỹ sư Ngành Điện tử Viễn thông ĐHBKHN năm 1997
Tốt nghiệp cao học Điện tử Viễn thông tại Học viện CNBCVT năm 2003
Công tác tại Trung tâm Công nghệ Thông tin – Học viện CNBCVT từ năm 1997 đến nay
Lĩnh vực nghiên cứu: NGN (Next Generation Network), FMC (Fixed Mobile Convergence Network)
Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Trung Kiên – số 9-Đào Duy Anh – Đống đa – Hà nội
E-mail: kiennt@cdit.com.vn – Mobile: 0913510136