Xem mẫu
- Đánh giá hiệu năng các giải pháp đảm bảo chất lượng
dịch vụ trong mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm
Nguyễn Quang Huy, Nguyễn Việt Châu, Lê Hải Châu và Nguyễn Tiến Ban
Khoa Viễn Thông I,
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Email: huynq.ptit14@gmail.com, chaulh@ptit.edu.vn và bannt@ptit.edu.vn
Abstract— Công nghệ Internet vạn vật (IoT) đang phát triển mới nhằm đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của đa dạng các loại
mạnh mẽ cả về số lượng thiết bị, loại hình dịch vụ, công nghệ kết hình dịch vụ và sự phát triển bùng nổ của băng thông [2].
nối và cả dải yêu cầu đa tạp về băng thông cũng như chất lượng Công nghệ truyền thông IoT được kỳ vọng sẽ giảm thiểu điện
dịch vụ. Công nghệ IoT đang mang lại rất nhiều triển vọng mới năng tiêu thụ, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu phong phú về băng
nhưng cũng đồng thời tạo ra nhiều áp lực trong việc nâng cấp,
cải tiến cũng như chỉ ra nhiều hạn chế và vấn đề khó khăn trong
thông trong khi vẫn đảm bảo truyền thông trong suốt với các
hạ tầng mạng thông tin hiện tại. Do vậy, các công nghệ mạng và thiết bị và môi trường mới trong mọi điều kiện, hoàn cảnh và
thiết bị mạng mới đang được quan tâm đầu tư nghiên cứu và dịch vụ [3]. Hơn nữa, các thiết bị mạng trong IoT cũng cần
phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu của IoT. Với các ưu điểm phải đảm bảo linh hoạt trong triển khai và hiệu quả về giá
trong quản lý, điều khiển và lập trình tài nguyên linh hoạt cùng thành trong khi hỗ trợ được các dịch vụ IoT đa tạp với dải
khả năng triển khai, nâng cấp hạ tầng và dịch vụ linh hoạt với rộng nhu cầu về chất lượng dịch. Trong khi đó, các công nghệ
chi phí hiệu quả, giải pháp ứng dụng công nghệ mạng định nghĩa mạng truyền thống dựa trên các giao thức truyền tải cơ bản
bằng phần mềm (SDN) trong hạ tầng truyền thông IoT (SD-IoT) trước đây trên nền IP đang tỏ ra khó có khả năng đáp ứng
đang dần trở thành giải pháp hứa hẹn cho truyền thông Internet được các yêu cầu khắt khe của hạ tầng thông tin trong IoT.
tương lai. Trong bài báo này, chúng tôi tập trung nghiên cứu,
khảo sát, triển khai và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật đảm
Các thiết bị mạng truyền thống, với hạn chế về tài nguyên,
bảo chất lượng dịch vụ trong các mạng IoT định nghĩa bằng được lập trình sẵn với tập các thủ tục, quy tắc phức tạp khác
phần mềm trong đó bao gồm hai kỹ thuật đảm bảo QoS điển nhau và không thể sửa đổi linh hoạt theo thời gian thực cũng
hình của mạng SDN là mô hình phân biệt dịch vụ (DiffServ) và như không thể khả lập trình nhằm tối ưu hóa dịch vụ mạng.
kỹ thuật theo từng luồng (perFlow). Chúng tôi cũng kiểm nghiệm Trong thời gian gần đây, với khả năng cung cấp nền tảng
hiệu năng của các giải pháp này theo các loại hình lưu lượng mạng linh hoạt, khả lập trình, triển khai dịch vụ nhanh chóng
khác nhau như dịch vụ lưu lượng Best-effort, dịch vụ lưu lượng và hiệu quả, công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm
tốc độ không đổi và dịch vụ lưu lượng tốc độ cao dựa trên cơ sở (SDN) đang nổi lên là một trong các giải pháp hứa hẹn có thể
hệ thống chuyển mạch SDN cỡ nhỏ đã được phát triển dành cho khắc phục được những vấn đề của mạng truyền thống và đáp
các ứng dụng và hạ tầng IoT. Các kết quả đạt được cho thấy khả
năng thành công của việc triển khai các kỹ thuật đảm bảo chất
ứng được các yêu cầu khắt khe của công nghệ IoT [4-5]. SDN
lượng dịch vụ (DiffServ và perFlow) cũng như hiệu quả của cung cấp khả năng trừu tượng hóa các phân lớp mạng và ảo
chúng trong hạ tầng truyền thông SD-IoT. hóa tài nguyên dựa trên việc tách biệt giữa mặt phẳng điều
khiển (logic) với thiết bị chuyển tiếp thông tin (vật lý), qua đó,
Keywords- Internet vạn vật, mạng định nghĩa bằng phần mềm, chuyển đổi tài nguyên mạng thành dạng khả lập trình, điều
chất lượng dịch vụ. khiển mạng tự động với độ linh hoạt cao và khả năng nâng cấp
hiệu quả theo mọi nhu cầu kinh doanh của các nhà khai thác
I. GIỚI THIỆU viễn thông [6-8]. Trong mạng SDN, chức năng điều khiển
Công nghệ Internet vạn vật (IoT) đã và đang phát triển với mạng thông minh được triển khai dựa vào các thành phần phần
tốc độ ngày càng cao cả về loại hình thiết bị, công nghệ kết mềm (gọi là các bộ điều khiển SDN) trong khi chức năng của
các thiết bị kết nối mạng thì được thay bằng chức năng chuyển
nối mạng cũng như về các yêu cầu đối với băng thông, độ trễ,
tiếp dữ liệu đơn giản [7, 8]. Do vậy, hướng tiếp cận ứng dụng
và các tham số thể hiện chất lượng của kết nối [1]. Các thiết bị
công nghệ SDN trong hạ tầng thông tin truyền thông IoT (gọi
kết nối IoT không chỉ là các phương tiện truyền thông truyền
tắt là công nghệ SD-IoT) đang dần thu hút được nhiều sự quan
thống như máy tính, điện thoại thông minh, … mà còn là các
thiết bị gia dụng như tủ lạnh, lò vi sóng, … hay hệ thống công tâm, đầu tư nghiên cứu [8-10]. Một số nghiên cứu phát triển
nghiệp đến cả con người. Các kỹ thuật và công nghệ mạng sản phẩm SDN kích thước nhỏ đã được đề xuất cho IoT [11-
13]. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu này mới chỉ tập trung
đang hướng đến giải quyết các thách thức và vấn đề của IoT
chính vào một số triển khai phần cứng với một vài chức năng
nhằm hỗ trợ cho hàng tỉ thiết bị kết nối Internet với nhiều đặc
đơn giản như là kiến tạo lại các chức năng của các phần tử
tính khác nhau và trao đổi thông tin theo thời gian thực để
mạng truyền thông trên thiết bị SDN, chức năng định tuyến, …
thực hiện các dịch vụ thông minh đa tạp về băng thông. Bên
cạnh đó, hạ tầng truyền thông IoT cũng đang được tập trung Bên cạnh đó, dù các vấn đề liên quan đến việc đảm bảo chất
lượng dịch vụ (QoS) đã bắt đầu được nghiên cứu triển khai đối
cải tiến và nâng cao, hướng đến các kiến trúc và thiết bị mạng
224
- với một số mạng dựa trên nền tảng công nghệ SDN [14-16],
việc đảm bảo QoS trong các mạng SD-IoT vẫn chưa được quan
tâm nghiên cứu nhiều trên thế giới cũng như ở Việt nam.
Với mục tiêu thiết kế, xây dựng thành công một thiết bị
mạng SDN kích thước nhỏ, giá thành phải chăng để có thể áp
dụng được trong các hệ thống IoT, chúng tôi đã phát triển
thành công mẫu thiết bị chuyển mạch SDN dựa trên nền tảng
phần cứng Raspberry Pi và các công cụ phần mềm mã nguồn
mở [17]. Hệ thống của chúng tôi bao gồm 4 cổng kết nối theo
chuẩn Ethernet có tốc độ tối đa 100 Mbps, hoạt động dựa trên
hệ thống Raspberry pi 3 sử dụng hệ điều hành Raspbian và
phần mềm OpenvSwitch. Hệ thống này tương thích với giao
thức điều khiển SDN là OpenFlow 1.3. Nhờ vào công nghệ
SDN và các phần mềm mã nguồn mở, thiết bị này có thể triển
khai thành các thiết bị mạng với chức năng đa dạng bằng phần Hình 1. Mẫu thiết bị chuyển mạch bằng phần mềm bốn cổng Ethernet 100
mềm cài đặt trong bộ điều khiển. Mbps.
Trong bài báo này, chúng tôi thực hiện nghiên cứu, khảo
sát, triển khai và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật đảm bảo BẢNG I. CẤU HÌNH MẪU THIẾT BỊ CHUYỂN MẠCH SDN
chất lượng dịch vụ trong các mạng IoT định nghĩa bằng phần
Thông số Giá trị
mềm dựa vào hệ thống chuyển mạch SDN đã được phát triển. Hệ thống phần cứng Raspberry Pi B
Các kỹ thuật đảm bảo QoS điển hình khác nhau của mạng SDN RAM 1 GB
bao gồm hai loại tiêu biểu là kỹ thuật dựa vào mô hình Chipset Broadcom BCM2837 chipset
DiffServ và kỹ thuật theo từng luồng (perFlow) được nghiên Tốc độ chip 1.2 GHz Quad-Core ARM Cortex-A53
cứu và triển khai để đánh giá và so sánh với nhau. Chúng tôi Số cổng Ethernet 4
Tốc độ cổng 100 Mbps
cũng kiểm nghiệm hiệu quả của các giải pháp này theo các loại
Hệ điều hành Raspbian 4.9.35
hình dịch vụ khác nhau như dịch vụ lưu lượng Best-effort, dịch Phiên bản OVS 2.8
vụ lưu lượng tốc độ không đổi và dịch vụ lưu lượng tốc độ cao. Phiên bản OpenFlow 1.3
Các kết quả đạt được cho thấy khả năng thành công của cả hai
kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ (DiffServ và perFlow) Nhờ việc sử dụng phần mềm chuyển mạch OpenvSwitch,
trong hạ tầng truyền thông SD-IoT. Ngoài ra, hiệu năng của thiết bị chuyển mạch này không chỉ có khả năng cung cấp các
các giải pháp cũng được xem xét dưới ảnh hưởng của một số chức năng của thiết bị mạng thông thường, mà còn có thể cấu
tham số thiết bị cơ bản như độ dài hàng đợi trang bị trong hệ hình linh hoạt và mở rộng, nâng cấp dễ dàng. Thiết bị này được
thống. cấu hình thông qua cơ sở dữ liệu đơn giản (gọi là ovsdb) và có
khả năng thay đổi, cập nhật thông tin bằng các công cụ như
II. GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ovsdb-client, ovsdb-tool and ovs-vsctl. Cơ sở dữ liệu của thiết
TRONG MẠNG IOT ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM bị sử dụng giao thức JSON để truyền thông và lưu trữ dữ liệu.
Ngoài ra, thiết bị này còn sử dụng công cụ quản lý và điều
A. Chuyển mạch định nghĩa bằng phần mềm cỡ nhỏ cho các khiển luồng ovs-ofctl để thực hiện các lệnh OpenFlow. Bằng
ứng dụng IoT và hạ tầng mạng SD-IoT cách dùng phần mềm, thiết bị chuyển mạch SDN sẽ trở nên
Hình 1 thể hiện mẫu thiết bị chuyển mạch định nghĩa bằng mềm dẻo và linh hoạt hơn, tuy nhiên, cũng vì thế mà nó có thể
phần mềm kích thước nhỏ được xây dựng dựa trên hệ thống gặp nhiều bất lợi về tốc độ xử lý và năng lượng tiêu thụ.
phần cứng Raspberry Pi 3 [18-19], phần mềm Open vSwitch Thiết bị chuyển mạch SDN kích thước nhỏ này có khả năng
bao gồm 04 cổng Ethernet tốc độ 100 Mbps cho các ứng dụng hỗ trợ nhiều kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ khác nhau
và hạ tầng IoT. Nhờ triển khai trên hệ thống Raspberry Pi 3, nhờ vào việc sử dụng giao thức OpenFlow [7]. Chuyển mạch
giá thành của thiết bị được giảm thiểu trong khi vẫn tận dụng OpenFlow cho phép điều khiển thông tin ở mức gói hoặc mức
được các tính năng ưu việt của hệ thống chuyển mạch định luồng một cách linh hoạt thông qua bộ điều khiển. Openflow
nghĩa bằng phần mềm nhờ việc khai thác các thành phần phần cho phép người dùng quản lý đến từng luồng riêng lẻ. Trên
mềm mã nguồn mở. Phần mềm chuyển mạch SDN Open thực tế, có nhiều công cụ lập trình được hỗ trợ trong OpenFlow
vSwitch là một trong các phần mềm được triển khai rộng rãi và để quản lý, điều khiển các luồng dữ liệu và người dùng có thể
hỗ trợ tương đối đầy đủ các tính năng của thiết bị chuyển mạch thiết lập các chính sách lưu lượng phù hợp với mục tiêu, yêu
SDN [20]. Cấu hình cụ thể của mẫu thiết bị được tổng hợp cầu của mỗi dịch vụ một cách linh hoạt. Chuyển mạch dựa trên
trong Bảng I. Thiết bị này có thể được điều khiển bởi bộ điều OpenFlow duy trì các bảng luồng (flow table) và cập nhật, so
khiển SDN như POX, Ryu hay Opendaylight, … Để cho việc sánh thông tin bảng luồng với các trường tiêu đề để đưa ra các
triển khai hệ thống được đơn giản, thuận tiện, chúng tôi đã sử quyết định phù hợp (chuyển tiếp, loại bỏ hay nhớ đệm, …) với
dụng bộ điều khiển Ryu (phần mềm điều khiển SDN dựa trên các gói dữ liệu. Nếu như các trường tiêu đề của gói tin không
ngôn ngữ Python) [5, 7]. phù hợp với các khoản mục trong bảng luồng hiện tại, thiết bị
chuyển mạch sẽ đóng gói và gửi ngược gói tin lên cho bộ điều
khiển. Bộ điều khiển sẽ chịu trách nhiệm quyết định cách thức
225
- xử lý đối với gói tin như là thông báo hủy gói tin hay cập nhật thể đặc tả các chính sách mà không cần phải cấu hình lại các
khoản mục mới trong bảng luồng để xử lý gói tin đó như là một thiết lập ở mức thấp cho mỗi thiết bị chuyển tiếp dữ liệu. Tập
luồng mới. Cơ chế thực hiện điều khiển chất lượng dịch vụ các chính sách này và kể cả các lớp lưu lượng khác nhau cũng
trong SDN theo luồng được minh họa trên Hình 2. không bị giới hạn và cho phép tinh chỉnh dựa theo nhu cầu của
người dùng. Do vậy, các quy định, chính sách có thể được định
nghĩa theo từng luồng (nếu cần thiết) và bộ điều khiển có
nhiệm vụ áp dụng chúng một cách hiệu quả vào các phần tử
mạng khác nhau (gọi tắt là perFlow). Theo cách tiếp cận này,
việc cung cấp QoS cũng có thể được thực hiện theo một trong
hai khía cạnh đó là đảm bảo QoS cho luồng dữ liệu khách
hàng/doanh nghiệp hay cho mỗi luồng ứng dụng cụ thể (xem
Hình 3). Có một số giải pháp đảm bảo QoS dựa vào SDN đã
được đề xuất và phần lớn trong đó sử dụng cơ chế cắt lát ảo
(virtual slicing) băng thông khả dụng. Phương pháp này gần
giống như dự trữ tài nguyên trong đó, mỗi luồng được gán một
phần dung lượng truyền dẫn. Bên cạnh đó còn có kỹ thuật định
tuyến động theo luồng cũng được đề xuất để không gán trực
tiếp tài nguyên cho mỗi luồng hoặc kỹ thuật dựa vào việc xếp
hàng vào hàng đợi và tuân thủ chính sách.
Hình 2. Nguyên lý điều khiển luồng trong thiết bị chuyển mạch SDN [21].
B. Kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ trong SD-IoT
Với sự hỗ trợ của bộ điều khiển SDN, mặt phẳng điều
khiển trong mạng SDN được tách biệt và có khả năng biên dịch
các yêu cầu từ tầng ứng dụng cũng như cung cấp cho tầng ứng
dụng tài nguyên mạng trừu tượng và ảo hóa. Do vậy, trạng thái
mạng có thể được cập nhật và tổng hợp, ví dụ thông qua các
gói tin chuyển qua bộ điều khiển, và có thể gồm nhiều loại dữ
liệu khác nhau (cả các sự kiện hoặc các dữ liệu thống kê). Với
các thông tin này, các chính sách điều khiển và các thỏa thuận
mức dịch vụ (SLA) có thể được đặc tả bởi người quản trị ở
mức trừu tượng cao hơn và thậm chí có thể hiệu chỉ động linh
hoạt. Các kỹ thuật đảm bảo chất lượng có thể được phân thành
hai loại như sau: kỹ thuật có trước công nghệ SDN và kỹ thuật Hình 3. Minh họa kỹ thuật đảm bảo QoS theo luồng [21].
dựa trên công nghệ SDN.
Đối với các kỹ thuật đảm bảo QoS truyền thống (chưa xem III. TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU
xét đến công nghệ SDN) cũng bao gồm hai loại chính đã được NĂNG CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO QOS
chuẩn hóa là: IntServ và DiffServ. Kỹ thuật IntServ dựa trên Trong phần này, chúng tôi thực hiện triển khai thử nghiệm
kiến trúc điều khiển lưu lượng theo luồng với việc mỗi phần tử và đánh giá hiệu năng của hai giải pháp đảm bảo QoS tiêu biểu
mạng phải dành trước tài nguyên cho mỗi luồng lưu lượng. Do cho các loại kỹ thuật QoS khác nhau đó là DiffServ (truyền
vậy, cách này thường chỉ áp dụng cho mạng nhỏ và khó áp thống – có trước SDN) và perFlow (kỹ thuật dựa trên nền tảng
dụng trong mạng Internet hiện tại do các hạn chế về tài nguyên SDN). Chúng tôi thiết lập và cấu hình hạ tầng truyền thông cho
của các bộ định tuyến cũng như các tài nguyên tính toán khác. một hệ thống IoT đơn giản và kiểm tra kết quả thực nghiệm.
Khác với IntServ, kỹ thuật DiffServ là kiến trúc điều khiển lưu Trong ứng dụng IoT thường có thể có nhiều loại hình lưu
lượng mức thô dựa trên 8 bít thông tin trường DS (trường TOS lượng khác nhau. Việc điều khiển quản lý một số thiết bị không
cũ) trong tiêu đề gói tin IP. Trường này hỗ trợ phân loại lên đến đòi hỏi trao đổi thông tin băng thông lớn nhưng lại yêu cầu tính
64 loại lưu lượng khác nhau. Các bộ định tuyến DiffServ sẽ thời gian thực cao như điều khiển các thiết bị có độ nhạy thời
quyết định việc chuyển tiếp gói tin dựa trên lớp lưu lượng của gian cao như lò vi sóng, báo cháy, báo khói, … Bên cạnh đó,
chúng theo từng chặng. Mặc dù DiffServ có thể áp dụng trong một số dịch vụ yêu cầu băng thông càng lớn càng tốt để đảm
các mạng lớn với hạn chế là tối đa 64 loại lưu lượng, kỹ thuật bảo chất lượng. Các hệ thống này yêu cầu loại lưu lượng có
này vẫn thiếu khả năng hỗ trợ hiệu chỉnh chất lượng lưu lượng thỏa thuận băng thông tối thiểu. Trong khi đó, nhiều loại dịch
theo các luồng riêng rẽ. vụ khác có thể yêu cầu băng thông cố định hoặc không yêu cầu
Ngược lại với các kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ có thỏa thuận chất lượng dịch vụ. Với bản chất best-effort (nỗ
truyền thống, các kỹ thuật đảm bảo QoS dựa trên SDN có khả lực tối đa), mạng IP thông thường sẽ khó có thể đảm bảo chất
năng khắc phục hoàn toàn các hạn chế nêu trên. Thông qua lượng dịch vụ đa dạng theo cùng kết nối trong mạng. Do vậy,
việc trừu tượng mức cao hơn nhờ bộ điều khiển, người ta có
226
- testbed thử nghiệm cho hạ tầng thông tin đảm bảo QoS cho không lớn hơn 2 Mbps. Sự khác biệt giữa hai phương pháp
ứng dụng IoT hỗ trợ được 03 loại lưu lượng điển hình như sau: QoS không thể hiện rõ ở trong trường hợp này. Lý do là vì sự
✓ Constant bit rate - Lưu lượng tốc độ cố định: dành cho các tắc nghẽn và tranh chấp băng thông chưa xảy ra nhiều với các
dịch vụ yêu cầu thời gian thực, băng thông không thay đổi luồng lưu lượng khác nhau.
theo thời gian (tốc độ cố định 2 Mbps).
✓ High-speed - Lưu lượng tốc độ giới hạn dưới: dành cho
các dịch vụ yêu cầu băng thông lớn với độ tin cậy cao, do
vậy băng thông luôn phải lớn hơn hoặc bằng giá trị thiết
lập trước (tốc độ giới hạn dưới là 4 Mbps).
✓ Best-effort - Lưu lượng thông thường: dành cho các dịch
vụ không có yêu cầu đặc biệt về băng thông. Băng thông
cung cấp cho các dịch vụ này sẽ được xử lý theo cơ chế
best-effort của mạng IP thông thường.
Trong hệ thống thử nghiệm này, tổng tốc độ kết nối tối đa
của liên kết cho cả ba dịch vụ là 10 Mbps. Kỹ thuật cắt lát băng
thông được sử dụng để chia sẻ tài nguyên trong hệ thống. Các
thiết bị chuyển mạch SDN được dùng trong mô hình này là các
thiết bị đã được phát triển trong [17]. Hình 4 minh họa mô hình
hệ thống thử nghiệm.
Hình 6. Băng thông các loại hình lưu lượng.
Ngoài ra, Hình 6 thể hiện băng thông của các loại hình lưu
lượng trong kịch bản sử dụng kỹ thuật đảm bảo QoS bằng
DiffServ và perFlow cho ba loại lưu lượng của hệ thống thử
nghiệm theo cấu hình đã thiết lập. Trong kịch bản này, lưu
lượng Best-effort được yêu cầu truyền với tốc độ cố định là 4
Mbps. Lưu lượng dịch vụ Constant-bit-rate được truyền với tốc
độ cố định là 2 Mbps trong khi tốc độ truyền của lưu lượng
dịch vụ High-speed được tăng dần sau mỗi khoảng thời gian
nhất định (30 giây). Lưu lượng Constant-bit-rate và High-speed
được khởi phát bắt đầu chậm 30 giây so với lưu lượng dịch vụ
Hình 4. Mô hình testbed thử nghiệm. Best-effort. Kết quả cho thấy, lưu lượng dịch vụ Best-effort bị
giảm dần để ưu tiên cho các luồng lưu lượng có QoS cao hơn
Để xác thực khả năng hoạt động của hệ thống, lưu lượng được thiết lập. Tổng lưu lượng của cả 3 dịch vụ trên liên kết
ngẫu nhiên theo các tốc độ tăng dần được tạo ra và truyền qua luôn đảm bảo là khoảng 10 Mbps (bằng tốc độ tổng của liên
các luồng dữ liệu được thiết lập QoS khác nhau của hệ thống kết được thiết lập). Hai loại lưu lượng Constant-bit-rate và
chuyển mạch. Hình 5 thể hiện kết quả về băng thông đầu ra tại High-speed có tốc độ lưu lượng theo đúng yêu cầu QoS được
các cổng của hệ thống chuyển mạch Openflow. Kết quả cho thiết lập.
thấy đối với Best-effort và High-speed, do lưu lượng không Hình 7 thể hiện sự so sánh về hiệu năng của các kỹ thuật
giám sát hoặc chỉ giới hạn tốc độ tối thiểu, tốc độ lưu lượng DiffServ và perFlow theo tỉ lệ mất gói tin trong trường hợp các
đầu ra vẫn như tốc độ truyền vào hệ thống. Tuy nhiên, đối với lưu lượng dịch vụ Best-effort và Constant-bit-rate được thiết
lưu lượng Constant bit rate, do tốc độ bị giới hạn cố định là 2 lập cố định ở mức tương ứng lần lượt là 4.0 Mbps và 2.0 Mbps
Mbps, nên khi truyền dữ liệu có tốc độ cao thì đều bị giới hạn trong khi lưu lượng dịch vụ High-speed được tăng dần từ 0
a) Best-effort traffic b) Constant bit rate traffic c) High-speed traffic
Hình 5. So sánh băng thông của các loại hình dịch vụ với các kỹ thuật đảm bảo QoS khác nhau.
227
- Mbps đến 10 Mbps trong khoảng thời gian thử nghiệm là 240 IV. KẾT LUẬN
giây. Kết quả cho thấy, kỹ thuật DiffServ cho hiệu năng nhỉnh
hơn một chút so với kỹ thuật dựa trên SDN perFlow. Nguyên Internet vạn vật có triển vọng rất lớn, nhưng tất cả các yếu tố
nhân là do hệ thống SDN được triển khai overlay trên nền tảng này vẫn chưa thể đảm bảo rằng việc quan tâm nhiều hơn đến
IP, do vậy, việc kiểm soát chất lượng dịch vụ ở mức dưới (lớp công nghệ này sẽ đồng nghĩa với việc công nghệ IoT sẽ được
IP) đã giúp kỹ thuật DiffServ tỏ ra hiệu quả hơn mọt chút. Tuy đầu tư và ứng dụng rộng rãi. Các vấn đề về kỹ thuật, tài chính
nhiên, sự khác biệt ở đây là không đáng kể. và chính sách phải được giải quyết. Về mặt công nghệ, giá
thành của các thiết bị cảm biến và các bộ truyền động phải
giảm được xuống mức mà có thể tạo ra việc sử dụng rộng rãi.
Ngoài ra, các nhà cung cấp công nghệ cần thống nhất các tiêu
chuẩn để có thể cho phép mở rộng khả năng tương tác giữa các
thiết bị cảm biến, máy tính và bộ truyền động. Cho đến khi có
được các tiêu chuẩn này, việc đầu tư ứng dụng IoT sẽ cần
nhiều nỗ lực để xây dựng và duy trì các hệ thống tích hợp.
Trong bài báo này, chúng tôi thực hiện nghiên cứu, triển khai
và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật đảm bảo chất lượng
dịch vụ trong các mạng IoT định nghĩa bằng phần mềm dựa
vào hệ thống chuyển mạch SDN đã được phát triển. Hai kỹ
thuật đảm bảo QoS điển hình là DiffServ (truyền thống) và
perFlow (dựa trên SDN) được triển khai thử nghiệm để đánh
giá và so sánh với nhau. Việc kiểm nghiệm hiệu quả của các
giải pháp này cũng được thực hiện theo các loại hình dịch vụ
khác nhau như dịch vụ lưu lượng Best-effort, dịch vụ lưu lượng
tốc độ không đổi và dịch vụ lưu lượng tốc độ cao. Các kết quả
đạt được cho thấy khả năng thành công của cả hai kỹ thuật đảm
Hình 7. Tỉ lệ mất gói tin. bảo chất lượng dịch vụ (DiffServ và perFlow) trong hạ tầng
truyền thông SD-IoT.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Vermesan Ovidiu, and Peter Friess, “Internet of things-from research
and innovation to market deployment,” Vol. 29, Aalborg: River
Publishers, 2014.
[2] Alasdair Gilchrist, “Industry 4.0: The Industrial Internet of Things,”
Apress, 2016.
[3] Wollschlaeger Martin, Thilo Sauter, and Juergen Jasperneite, “The
future of industrial communication: Automation networks in the era of
the internet of things and industry 4.0,” IEEE Industrial Electronics
Magazine, vol. 11, no. 1, pp. 17-27, 2017.
[4] Bizanis, Nikos, and Fernando A. Kuipers, "SDN and virtualization
solutions for the Internet of Things: A survey," IEEE Access, vol. 4, pp.
5591-5606, 2016.
[5] Diego Kreutz, Fernando M.V. Ramos, Paulo Esteves Verıssimo,
Christian Esteve Rothenberg, Siamak Azodolmolky, and Steve Uhlig,
“Software-defined networking: A comprehensive survey,” Proceedings
of the IEEE, vol. 103, no. 1, pp. 14-76, 2015.
Hình 8. Ảnh hưởng của dung lượng hàng đợi. [6] Andreas, Arsanasty Ba, Martin Reisslein, and Wolfgang Kellerer,
“Survey on network virtualization hypervisors for software defined
networking,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 18, no. 1,
Để làm rõ hơn ảnh hưởng của các tham số hệ thống phần pp. 655-685, 2016.
cứng/mềm đến hiệu năng của các giải pháp QoS đối sánh, [7] Hu, Fei, Qi Hao, and Ke Bao, "A survey on software-defined network
chúng tôi đã khảo sát sự phụ thuộc của hiệu năng mạng vào and openflow: From concept to implementation, " IEEE
một trong các tham số đặc tính quan trọng của thiết bị chuyển Communications Surveys & Tutorials, vol. 16, no. 4, pp. 2181-2206,
2014.
mạch SDN, đó là dung lượng bộ đệm. Kết quả thử nghiệm đo
[8] Samaresh Bera, Sudip Misra, and Athanasios V. Vasilakos, “Software-
trên hệ thống thu được (như thể hiện trên Hình 8) cho thấy hiệu Defined Networking for Internet of Things: A Survey,” IEEE Internet of
quả của cả hai giải pháp là khá tương đồng. Tỉ lệ mất gói sẽ Things Journal, vol. 4, no. 6, pp. 1994-2008, 2017.
giảm nhanh chóng khi dung lượng hàng đợi được tăng lên. Khi [9] Omnes, Nathalie, Marc Bouillon, Gael Fromentoux, and Olivier Le
dung lượng hàng đợi đạt giá trị nhất định (ví dụ, 2.5 MB), hiệu Grand, "A programmable and virtualized network & IT infrastructure for
năng của cả hai phương pháp đều đạt mức tốt nhất. Đối với the internet of things: How can NFV & SDN help for facing the
upcoming challenges," 18th International Conference on Intelligence in
trường hợp dung lượng hàng đợi nhỏ (ít hơn 2 MB), kỹ thuật Next Generation Networks (ICIN), pp. 64-69, 2015.
perFlow cho hiệu năng tốt hơn so với DiffServ. [10] Jararweh, Yaser, Mahmoud Al-Ayyoub, Elhadj Benkhelifa, Mladen
Vouk, and Andy Rindos, "SDIoT: a software defined based internet of
228
- things framework," Journal of Ambient Intelligence and Humanized [15] A. Ishimori et al., “Control of Multiple Packet Schedulers for Improving
Computing, vol. 6, no. 4, pp. 453-461, 2015. QoS on OpenFlow/SDN Networking,” EWSDN, Berlin, 10-11 Oct,
[11] Vipin Gupta, Karamjeet Kaur and Sukhveer Kaur, “Developing Small 2013.
Size Low-Cost Software-Defined Networking Switch Using Raspberry [16] S. Sharma, D. Staessens, D. Colle, and D. Palma, “Implementing
Pi,” Next-Generation Networks, pp. 147-152. Springer, Singapore, 2018. Quality of Service for the Software Defined Networking Enabled Future
[12] Kim, Hyunmin, Jaebeom Kim, and Young-Bae Ko. "Developing a cost- Internet”, EWSDN, Budapest, 1-3 Sep, 2014.
effective OpenFlow testbed for small-scale Software Defined [17] Quang Huy Nguyen, Ngoc Ha Do and Hai Chau Le, “Development of a
Networking," IEEE 16th International Conference on Advanced QoS Provisioning Capable Cost-Effective SDN-based Switch for IoT
Communication Technology (ICACT), pp. 758-761, 2014. Communication,” ATC 2018, pp. 220-225, 2018.
[13] Austin, Ron, Peter Bull, and Shaun Buffery, "A Raspberry Pi Based [18] John C. Shovic, “Raspberry pi IoT projects,” Apress, 2016.
Scalable Software Defined Network Infrastructure for Disaster Relief [19] https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/
Communication," IEEE 5th International Conference on Future Internet
[20] https://openvswitch.org
of Things and Cloud (FiCloud), pp. 265-271, 2017.
[14] Mirchev, A., “Survey of Concepts for QoS improvements via SDN,” [21] Durner, Raphael, Andreas Blenk, and Wolfgang Kellerer, "Performance
Future Internet (FI) and Innovative Internet Technologies and Mobile study of dynamic QoS management for OpenFlow-enabled SDN
Communications (IITM), 33, p.1, 2015. switches," 2015 IEEE 23rd International Symposium on Quality of
Service (IWQoS), 2015.
229
nguon tai.lieu . vn
