HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

---------------------------------------

Phạm Tuấn Anh

ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG QoS CHO CÁC ỨNG DỤNG ĐA PHƯƠNG TIỆN

TRÊN SDN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2017

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Chiến Trinh

(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: TS. Dư Đình Viên

Phản biện 2: PGS.TS Bạch Nhật Hồng

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính

Viễn thông

Vào lúc: 10 giờ ngày 11 tháng 03 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay, hệ thống mạng ngày càng phát triển mạnh mẽ dẫn tới các yêu cầu của các

nhà kinh doanh và nhà khai thác mạng tăng lên về thông số trễ, băng thông, định tuyến, bảo

mật, ... theo yêu cầu của ứng dụng khác nhau. Với nhu cầu giao tiếp của con người tăng với

tốc độ nhanh chóng cả về số lượng lẫn sự đa dạng của dữ liệu truyền dẫn làm cho hệ thống

truyền thông ngày càng trở nên khổng lồ, có hàng tỉ các liên kết, thiết bị phục vụ quá trình

truyền tải. Sự phức tạp trong việc tích hợp các giải pháp công nghệ và bảo mật cho các

luồng dữ liệu khi cần chuyển đổi công năng trong hệ thống mạng, phục vụ cho các mục đích

khác nhau trong hệ thống. Các quyết định xử lý như thế nào đối với từng luồng lưu lượng

hiện tại đang được thực hiện trên các thiết bị riêng biệt như switch/router… đó là một vài

vấn đề tồn tại trong các hệ thống mạng. Hiện tượng tắc nghẽn thường xuyên xảy ra, việc

phức tạp trong quan lý lưu lượng đường truyền yêu cầu đặt ra cần phải xây dựng một hệ

thống điều khiển tập trung, dễ quản lý giúp cho việc định tuyến giảm tắc nghẽn tăng hiệu

suất truyền dữ liệu cũng như chi phí.

Vì vậy nhu cầu cần thiết phải xây dựng giải pháp tự thích nghi, thông qua việc đo

băng thông tức thời, phát hiện chất lượng đường truyền, điều chỉnh tốc độ truyền tin để đảm

bảo chất lượng của các ứng dụng đa phương tiện là cần thiết. “Định tuyến động QoS cho

các ứng dụng đa phương tiện trên SDN” là giải pháp tiện lợi giúp hỗ trợ giảm những tác

động bất lợi trong việc truyền các luồng dữ liệu như mất gói tin, trễ, tắc nghẽn… nhưng vẫn

đảm bảo chất lượng đầy đủ, tăng tính tin cậy của các luồng dữ liệu và các luồng đa phương

tiện.

Mục tiêu của luận văn là đề xuất giải pháp tập trung, dễ quản lý và tối ưu hóa cho

việc điều khiển các luồng lưu lượng đa phương tiện tránh tắc nghẽn đồng thời đảm bảo tính

nguyên vẹn cũng như tốc độ truyền dẫn.

Bố cục của luận văn gồm ba chương.

Chương 1:Tổng quan SDN

Chương 2: Thiết lập QoS trên OpenFlow trong SDN

Chương 3: Giải pháp OpenQoS hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện

Học viên hy vọng luận văn có thể là một tài liệu tham khảo có giá trị cho những

người bắt đầu tìm hiểu và nghiên cứu về SDN và OpenFlow.

2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN SDN

Nội dung Chương 1: Giới thiệu các khái niệm cơ bản về SDN, một công nghệ mới,

một phương pháp tiếp cận mới tới mạng làm thay đổi kiến trúc mạng truyền thống hiện nay.

1.1 Mở đầu

Trong thời đại phát triển bùng nổ của các hệ thống thông tin, nhu cầu về chất lượng,

dung lượng và tính đa dạng của loại dữ liệu Internet đặc biệt là các dịch vụ đa phương tiện

đang tăng lên một cách nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu. Công nghệ mạng định nghĩa

bằng phần mềm (Software Defined Networking – SDN) ra đời như một giải pháp cho hệ

thống mạng hiện nay. SDN dựa trên giao thức luồng mở (Open Flow là kết quả nghiên cứu

của Đại học Stanford và California Berkeley) cung cấp khả năng điều khiển tốt nhất và hỗ

trợ kỹ thuật lưu lượng định tuyến, tăng hiệu suất truyền dữ liệu cũng như giảm chi phí quản

lý và duy trì hoạt động mạng.

Mạng điều khiển bằng phần mềm SDN làm việc trên cơ chế tách riêng luồng điều

khiển với luồng dữ liệu (control plane và data plane). Điều này cho phép luồng các gói dữ

liệu đi qua mạng được kiểm soát theo ngôn ngữ lập trình.

1.2 Kiến trúc SDN

Kiến trúc SDN gồm 3 lớp riêng biệt: lớp ứng dụng (Application Layer), lớp điều

khiển (Control Layer), cơ sở hạ tầng - phần thiết bị (Infrastructure Layer) . Các lớp này liên

kết với nhau thông qua giao thức OpenFlow và các API.

Hình 1.1: Kiến trúc SDN

3

1.3 Vấn đề về an toàn trong SDN

Trong một góc độ an ninh và độ tin cậy, một trong những thành phần quan trọng để

đảm bảo một hệ thống rất mạnh mẽ là chịu lỗi. Hệ thống có khả năng chịu đựng bất kỳ hành

vi bất thường, tức là lỗi cố ý hoặc không cố ý, trong khi dịch vụ giữ hoạt động chính xác của

nó. SDN cung cấp những khả năng như vậy:

Hình 1. 1: An toàn và tin cậy trong SDN

- Tạo bản sao: bộ điều khiển được tạo bản sao.

- Tínhđa dạng: trong SDN ứng dụng quản lý tương tự có thể chạy trên các bộ điều

khiển khác nhau

- Cơ chế tự phục hồi

- Liên kết các thiết bị

- Tin cậy giữa các thiết bị và bộ điều khiển

- Sự tin cậy giữa các ứng dụng và phần mềm điều khiển

1.4 Ứng dụng và xu hướng phát triển SDN

SDNđượcứng dụngvới những môi trường hệ thống mạng tập trung và có mức lưu

lượng đi quan cực kỳ lớn bao gồm:

Phạm vi doanh nghiệp: Áp dụng trong mạng doanh nghiệp, Data Center (DC), dịch

vụ Cloud...

Phạm vi các nhà cung cấp hạ tầng và các dịch vụ viễn thông:

4

1.5 Giao thức OpenFlow

1.5.1 Tổng quan OpenFlow

OpenFlow là giao thức liên kết giữa lớp cơ sở hạ tầng và lớp điều khiển trong kiến

trúc SDN. OpenFlow là tiêu chuẩn đầu tiên cung cấp khả năng truyền thông giữa các giao

diện của lớp điều khiển và chuyển tiếp trong kiến trúc SDN. Có thể được sử dụng để điều

khiển - kiểm soát các đặc tính như thay đổi cấu trúc mạng và khả năng lọc lưu lượng (lọc

gói dữ liệu).OpenFlow tách biệt hẳn phần điều khiển ra khỏi phần chuyển tiếp và cung cấp

khả năng lập trình cho lớp điều khiển.

1.5.2 Đặc trưng cơ bản của OpenFlow

Nhiệm vụ của OpenFlow:

Giám sát hoạt động của các thiết bị mạng

Điều khiển hoạt động của thiết bị mạng

OpenFlow gồm có 3 thành phần chính:Flow Table, Secure Channel, OpenFlow

Protocol

Hình 1.3: Thành phần giao thức OpenFlow

1.5.3 Lợi ích khi sử dụng OpenFlow

Tập trung hóa điều khiển trong môi trường nhiều nhà cung cấp thiết bị.

Giảm sự phức tạp thông qua việc tự động hóa.

5

Tốc độ đổi mới cao.

Tăng khả năng bảo mật cho mạng.

OpenFlow là có thể hoạt động tốt giữa cả các thiết bị mạng ảo và thiết bị mạng vật lý.

1.5.4 Ứng dụng OpenFlow vào thực tiễn

Một số ứng dụng có thể kể đến như ảo hóa hệ thống hạ tầng mạng hay các trung tâm

dữ liệu…

1.6 Kết luận chương

Mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) cùng với giao thức OpenFlow tách biệt

phần điều khiển và chuyển tiếp cung cấp một kiến trúc mạng mới, năng động, có khả năng

thay đổi mạng xương sống truyền thống sang một nền tảng có khả năng cung cấp dịch vụ

phong phú hơn. Sở hữu những lợi thế và tiềm năng thương mại hấp dẫn, SDN đang trên

đường trở thành một chuẩn trong tương lai.

CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP QoS TRÊN OPENFLOW TRONG SDN

Nội dung Chương 2: Trong chương này sẽ giới thiệu các khái niệm và kiến trúc QoS,

giao thức OpenFlow, nghiên cứu các giải pháp QoS trên OpenFlow trong SDN.

2.1 Giới thiệu chung

Chúng ta biết rằng TCP/IP network hay đơn giản hơn là IP network, Internet ngày

càng phát triển kèm theo đó là sự phát triển của nhiều ứng dụng, dịch vụ đa phương tiện như

HTTP, Voice, Video… Trong đó có những dịch vụ có yêu cầu cực kỳ khắt khe vể độ trễ, độ

Jitter và độ lớn băng thông để truyền, phương án tăng băng thông của mạng cũng không giải

quyết được vấn đề này mà lại còn rất tốn kémđặt ra nhu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) ra

đời.

6

2.2 Khái quát về chất lượng dịch vụ (QoS)

2.2.1 Khái niệm QoS

Có rất nhiều khái niệm về QoS nhưng có thể hiểuđơn giảnQoS là sự đảm bảo hiệu

suất dịch vụ cho một luồng dữ liệu từ nguồn đến đích, tuy nhiên không được vượt quá khả

năng thực tế của phương tiện truyền dẫn.

2.2.2 Kiến trúc QoS

QoS cơ bản bao gồm 3 phần chính:

Định dạng QoS và kĩ thuật đánh dấu cho phép phối hợp QoS từđiểm đầu tới điểm

cuối giữa từng thành phần mạng.

QoS trong từng thành phần mạng đơn(các công cụ hàng đợi định dạng, lập lịch, định

dạng lưu lượng)

Cách giải quyết, điều khiển QoS, các chức năng tính toán đểđiều khiển và giám sát

lưu lượng đầu cuối qua mạng.

Các mức QoS: Best-effort Service, Differentiated Service (còn gọi là soft QoS ),

Guaranteed Service (Còn được gọi là hard QoS )

Hình 2. 1: Các mức QoS

7

2.2.3 Các kỹ thuật phục vụ QoS

Dịch vụ cố gắng tốt nhất (Best Effort)

Dịch vụ tích hợp (IntServ)

Dịch vụ Diffserv

Hình 2.4: Các kỹ thuật QoS trong mạng IP

2.2.4 Các thông số QoS

Độ trễ toàn trình “Delay”

Độ trễ pha “Jitter”

Độ mất gói “Packet lost”

Mất trình tự gói “Sequence Error”

2.2.5 QoS vào mạng IP

Nếu một mạng thiếu QoS thì người sử dụng phải tự thêm vào các phương pháp của

mình để có QoS cần thiết. Có hai lựa chọn để nhận được QoS cho người sử dụng và cho ứng

dụng đó là tích hợp QoS hay là thêm QoS lên trên mạng. Một nhà cung cấp dịch vụ có thể:

Chia phần truy nhập và/hoặc các dịch vụ cho người sử dụng

Sử dụng xếp hàng theo giá và/hoặc quản lý IP

Sử dụng công nghệ mới

8

Bảng 2.1: QoS ứng dụng vào một mạng IP

Cải thiện thông số QoS Biện pháp

Băng thông Dồn kênh theo hướng ngược để tăng khả năng cho

nhiều cuộc gọi

Trễ Không làm gì nhiều trừ cố gắng tối thiểu các bước

nhảy giữa các bộ định tuyến

Jitter Thêm các bộ đệm Jitter

Mất thông tin Thêm phần tiền sử lỗi vào gói thoại (ít dùng)

Tính sẵn sàng Sử dụng nhiều liên kết đến ISP, thậm chí sử dụng

nhiều ISP

Bảo mật Thêm các phương pháp nhận thực và mã hóa của

chính họ (hay dùng)

2.2.6 Định tuyến QoS

Các giao thức định tuyến trên cơ sở QoS đã nỗ lực đưa các metric thành các giá trị

khi xây dựng các bảng định hướng của mạng. Định tuyến dựa trên QoS tạo ra các cây

đường đi ngắn nhất, bao gồm các topo thực tế của các tuyến và các router với mỗi cây sử

dụng các tham số khác nhau của tuyến metric.

2.3 Nghiên cứu một số giải pháp QoS trên OpenFlow trong SDN

2.3.1 Tối ưu hóa Framework cho QoS cho phép thích ứng luồng Video trên các

mạng OpenFlow

Phương pháp này dựa trên việc phân tích các Framework giúp tối ưu hóa các quyết

định chuyển tiếp tại lớp điều khiển để định tuyến động QoS trên mạng và ứng dụng các

khung này tới QoS tại lớp điều khiển của OpenFlow. Các Framework khác nhau được đề

xuất từ các kiến trúc QoS cung cấp một thiết kế mới mỗi luồng ưu tiên dựa trên các tham số

định tuyến động cho phép luồng mở rộng mã hóa được Video với hai mức QoS.

2.3.2 Nghiên cứu hiệu năng của các luồng TCP với QoS – OpenFlow hỗ trợ

trong mạng trung tâm dữ liệu

Đảm bảo cung cấp QoS là một nhiệm vụ quan trọng trong các trung tâm dữ liệu đám

mây (Cloud data centers), đặc biệt cho các luồng TCP khi TCP mang tới 99,9% lưu lượng

trong các trung tâm dữ liệu. Các ứng dụng chạy ở các trung tâm dữ liệu chỉ có thể đạt hiệu

năng mong muốn nếu tài nguyên, băng thông mạng được đảm bảo cùng với các nguồn tài

nguyên lưu trữ và tính toán. Nghiên cứu hiệu năng của các luồng TCP giúp cho việc đảm

bảo tốc độ cho các luồng TCP, tránh tắc nghẽn dựa trên khái niệm “phân chia” dựa vào

9

hàngđợiđểđảm bảo tốcđộ tối thiểu trên mỗi luồng và khái niệm “mét” kết hợp với mỗi

luồngđể xácđịnh một số giới hạn “dải mét” tương ứng với tốcđộ cụ thểcó sẵn trong bộ điều

khiển OpenFlow,từđóđưa ra quyếtđịnhlàm rớt gói tin buộc người dùng gửi TCP xuống tốc

độ chậm trong giai đoạn tắc nghẽn từ đó dẫn đến việc sử dụng hiệu quả băng thông.

2.4 Kết luận chương

Trong chương 2, ta có thể thấy việc đảm bảo chất lượng lượng dịch vụ ngày càng

được không ngừng nâng cao và cải tiến đặc biệt. Từ những giải pháp hạn chế ban đầu như

InServ hay DiffServ là động lực thúc đẩy nghiên cứu. Sự ra đời của các giải pháp trên mạng

định nghĩa bằng phần mềm (SDN) là điều tất yếu. Nhờ khả năng điều khiển linh hoạt, có

giao diện điều khiển đơn giản và lập trình được giúp cho các nhà cung cấp dịch vụ dễ dàng

trong quản lý cũng như xây dựng các mô hình dịch vụ tới khách hàng.

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP OPENQoS HỖ TRỢ CÁC ỨNG DỤNG ĐA

PHƯƠNG TIỆN

Nội dung Chương 3: Nghiên cứu về kiến trúc, phương thức định tuyến động QoS cho

các ứng dụng đa phương tiện của OpenQoS.

3.1 Giải pháp Open QoS

Open QoS là một thiết kế bộ điều khiển OpenFlow hiện đại cung cấp đa phương tiện

với hỗ trợ chất lượng dịch vụ thiết bị đầu cuối trên SDN.OpenQoS là một phần mở rộng của

chuẩn hóa bộ điều khiển OpenFlow cung cấp dự phòng đa phương tiện với QoS.Để hỗ trợ

QoS, Open QoS nhóm lưu lượng đến như luồng dữ liệu và luồng đa phương tiện, ở đó các

luồng đa phương tiện được tự động đưa vào QoS đảm bảo định tuyến còn các luồng dữ liệu

khác được duy trì trên đường đi ngắn nhất của chúng.

3.2 Thiết kế OpenQoS

Thiết kế OpenQoS dựa trên việc định tuyến các luồng QoS (lưu lượng đa phương

tiện) trong khi các luồng khác (dữ liệu) vẫn giữ nguyên trên đường đi ngắn nhất của chúng.

Cách tiếp cận ở đây này khác với các kiến trúc QoS hiện tại khi không sử dụng tài nguyên

dự phòng cũng như xếp hàng ưu tiên.Ưu điểm chính của phương pháp này là không gây tác

động bất lợi lên các lưu lượng không có QoS như mất gói, trễ. Các giao diện chính của thiết

kế bộ điều khiển bao gồm:

Giao diện điều khiển - chuyển tiếp

Giao diện điều khiển - điều khiển

Giao diện bộđiều khiển - dịch vụ

10

Hình 3.2: Thiết kế bộđiều khiển OpenQoS

3.3 Phương thức tối ưu định tuyến động QoS của OpenQoS

3.3.1 Định tuyến mỗi luồng trong OpenQoS

OpenQoS khai thác mô hình chuyển tiếp luồng cơ sở của OpenFlow để chúng phân

biệt dữ liệu và lưu lượng đa phương tiện. Các luồng đa phương tiện có thể được xác định

bằng cách sử dụng các trường tiêu đề gói tin hoặc các giá trị sau:

Trường tiêu đề lớp lưu lượng trong MPLS

TOS (loại dịch vụ) trường IPv4

Trường lớp lưu lượng trong IPv6

Nếu máy chủ đa phương tiện biết được, địa chỉ IP nguồn

Các cổng nguồn hoặc đích giao vận

3.3.2 Tối ưu hóa định tuyến động QoS

Việc định tuyến động giống như vấn đề về hạn chế đường dẫn ngắn nhất (CSP -

Constrained Shortest Path). Trong các ứng dụng đa phương tiện, chỉ số QoS điển hình là sự

mất gói tin, trễ và trế biến đổi (jitter). Tuy nhiên chỉ số QoS có thể khác nhau tùy thuộc vào

loại ứng dụng

11

3.4 Một số kết quả chức năng quản lý định tuyến và tính toán định tuyến của

OpenQoS trong mạng

3.4.1 Mô hình thử nghiệm

Mô hình xây dựng một mạng lưới được biểu diễn như một hình vẽ đơn giản có

hướng G(N,A) với N là tập hợp các nút và A là tập hợp các liên kết, do đó liên kết (i,j) là

một cặp lệnh, đi ra từ nút I và đến nút j. Cùng đó là tập hợp các tuyến đường (tập con của

A) từ nút nguồn s đến nút đích t.

Hình 3.5: Mô hình mạng kiểm tra OpenFlow [10]

3.4.2 Một số kết quả chức năng quản lý định tuyến và tính toán định tuyến của

OpenQoS trong mạng

A. Luồng UDP

Hình 3.6: Kết quả trường hợp tốt nhất của luồng UDP

12

Hình 3.7: Kết quả một trường hợp của luồng UDP[10]

B. HTTP dựa trên các luồng thích ứng

Hình 3.8: Kết quả luồng HTTP thích ứng[10]

3.5 Một số ứng dụng sử dụng dựa trên giải pháp OpenQoS

3.5.1 Luồng video với mã hóa đa mô tả MDC

Đây là kỹ thuật mã hóa một nguồn thành nhiều bitstream (mô tả), ở đó từng mô tả

được giải mã độc lập. Việc nhận một mô tả là đủ cho phát sóng liên tục, trong khi chất

lượng cải thiện cùng số lượng các mô tả nhận được tăng. Tuy nhiên, sự mất mát của hiệu

suất nén, tính phức tạp trong bộ truyền phía trên và bộ mã hóa/giải mã là những nhược điểm

lớn nhất của MDC (Multiple Description Coding). Mục đích chính của MDC là cung cấp

khả năng tự sửa lỗi để mất gói tin bằng cách sử dụng đường dẫn độc lập.

3.5.2 Cân bằng tải trong mạng phân phối theo nội dung CDN

Cân bằng tải là một phương pháp phân phối tải qua các phần tử mạng. Mục đích của

cân bằng tải [12] là cung cấp một dịch vụ từ nhiều máy chủ bằng cách chọn một máy chủ

thích hợp. Vì vậy, đây là điều cần thiết cho các công nghệ kết nối mạng như các mạng phân

13

phối nội dung (CDN – Content Distribution Networks), hệ thống tên miền (DNS) và các

dịch vụ đám mây mới nổi

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin, cụ thể là sự phát triển không ngừng của

các ứng dụng đa phương tiện, việc quản lý các luồng dữ liệu này đảm bảo chất lượng dịch

vụ QoS cho các luồng dữ liệu đặc biệt là các ứng dụng đa phương tiện. Việc xây dựng các

giải pháp đểđảm bảo chất lượng mà không ảnh hưởng tới các luồng dữ liệu khác trên mạng

ngày càng thực sự cần thiết.

Với mục tiêu cải thiện hiệu năng mạng trong hỗ trợ truyền dẫn đa phương tiện, luận

án đã thực hiện được:

Cung cấp những kiến thức cơ bản về công nghệ mạng xu hướng hiện nay SDN

Ứng dụng bộđiều khiển OpenFlow trong việc quản lýđịnh tuyến đảm bảo QoS cho

các ứng dung đa phương tiện trên nền tảng SDN mở ra hướng đi mới trong quản lý

hệ thống mạng bằng phương pháp lập trình

14

KẾT LUẬN

Đề tài đã trình bày một cách khái quát về SDN và giải pháp OpenQoS với bộ điều

khiển OpenFlow mới được thiết kế để giúp hỗ trợ QoS cho các ứng dụng đa phương tiện từ

đầu cuối tới đầu cuối. Cách tiếp cận này khác so với các kiến trúc QoS bởi việc triển khai

định tuyến động có thể thực hiện với OpenQoS bằng cách thực hiện tối ưu hóa khung làm

việc. OpenQoS nhóm các lưu lượng đi vào (các dòng dữ liệu và các dòng đa phương tiện), ở

đó các dòng đa phương tiện được đảm bảo tự động định tuyến trên QoS còn các dòng dữ

liệu dữ liệu giữ nguyên theo đường đi ngắn nhất hiện tại của chúng [3] đồng thời không có

ảnh hưởng bất lợi tới chất lượng dịch vụ các lưu lượng loại khác trong mạng.