ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

VÕ NGỌC TIẾN

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SD-WAN ĐỂ CẢI THIỆN
CHẤT LƯỢNG TRUYỀN TẢI TRONG HỆ THỐNG
MẠNG THẾ HỆ MỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 8520203

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng – Năm 2022

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Tăng Anh Tuấn

Phản biện 1: TS. Hồ Phước Tiến
Phản biện 2: TS. Trần Thế Sơn

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Điện tử họp tại Trường Đại học Bách
khoa vào ngày 15 tháng 5 năm 2022
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
− Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách
khoa - ĐHĐN
− Thư viện Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách
khoa - ĐHĐN

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Là một trong những phương tiện truyền dẫn quan trọng nhất
trên Internet, mạng diện rộng (WAN – Wide Area Network), ví dụ
mạng liên trung tâm dữ liệu, mạng doanh nghiệp và mạng truyền tải,
đã trở thành những cơ sở hạ tầng quan trọng của xã hội thông tin. Ngày
nay, sự mở rộng nhanh chóng của mạng lưới và sự xuất hiện của các
ứng dụng, các yêu cầu hoạt động cần đáp ứng làm gia tăng thêm các
đòi hỏi ngày càng lớn đối với mạng WAN. Ví dụ, các nhà cung cấp
dịch vụ video trực tiếp yêu cầu độ trễ từ người phát sóng đến người
xem phải nhỏ hơn vài chục ms; mong muốn cung cấp các kênh truyền
khách hàng trong vòng vài ngày. Do chi phí xây dựng, quản lý và xử
lý lỗi trên mạng WAN rất cao và mạng diện rộng truyền thống gặp khó
trong việc nâng cấp mạng nên việc xây dựng mạng diện rộng với thiết
kế mới là cần thiết. Mặc dù công nghệ Chuyển mạch nhãn đa giao thức
(MPLS - Multiprotocol Label Switching) trong mạng WAN vẫn đảm
bảo Chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service), nhưng nó cũng

đưa ra một số thách thức, chẳng hạn như chi phí băng thơng cao, khơng
thể triển khai cấu hình tập trung, thời gian cần thiết để chuyển đổi/nâng
cấp mạng hiện hữu.
Trong đó, vai trị quan trọng của tính năng điều khiển lưu
lượng (TE – Traffic Engineering) trong mạng SD-WAN được hỗ trợ,
nhiều ưu điểm nổi bật hơn mạng WAN truyền thống giúp cải thiện lưu
lượng truyền tải tốt hơn trong mạng doanh nghiệp như là: được hỗ trợ
tự động cập nhật theo thơng tin hệ thống của tồn mạng xun suốt
theo thời gian thực, thay đổi, cấu hình TE đáp ứng mục đích một cách

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


2
dễ dàng và nhanh chóng, lựa chọn tuyến đường tối ưu nhất cho từng
dịch vụ theo mức thông số truyền tải mong muốn: độ trễ, độ mất gói,
thơng lượng
Do vậy, đề tài này tập trung nghiên cứu, so sánh và đề xuất
các thuật toán giúp cải thiện chất lượng truyền tải trong mạng SDWAN.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
-

Nghiên cứu đánh giá hiệu năng, lợi ích mang lại của mạng
SD-WAN trong việc triển khai ứng dụng truyền tải dịch
vụ ở các công ty, doanh nghiệp, được thiết kế để cung cấp
một giải pháp thay thế cho mạng WAN dựa trên MPLS
truyền thống.


-

Nghiên cứu và xây dựng môi trường giả lập mạng SDWAN áp dụng cho nghiên cứu và triển khai các ứng dụng
thực tế.

-

Nghiên cứu, so sánh và đề xuất các thuật toán giúp cải
thiện chất lượng truyền tải trong mạng SD-WAN, xây
dựng thử nghiệm và đánh giá hiệu quả.

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
-

Mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN - SoftwareDefined Networking)

-

Mạng diện rộng (WAN)

-

Mạng diện rộng định nghĩa bằng phần mềm (SD-WAN)

-

Kỹ thuật lưu lượng (TE - Traffic Engineering)

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


3
-

Giải pháp mô phỏng mạng từ các nhà cung cấp SD-WAN

Phạm vi nghiên cứu
-

Cách thức triển khai xây dựng và cơ chế hoạt động của
mạng diện rộng định nghĩa bằng phần mềm (SD-WAN).

-

Các thông số trên mạng lưới liên quan đến chất lượng
truyền tải dịch vụ trong mạng doanh nghiệp.

-

o

Độ mất gói (packet loss)

o

Độ trễ (latency)


o

Thơng lượng (throughput)

Thuật tốn và xây dựng cơ chế điều khiển lưu lượng giúp
cải thiện chất lượng truyền tải dịch vụ trong mạng SDWAN.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp luận của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết
kết hợp với thực tiễn để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau:
-

Nghiên cứu các yếu tố kỹ thuật liên quan đến chất lượng
truyền tải dịch vụ trong mạng SD-WAN.

-

Xem xét các đề tài nghiên cứu liên quan, so sánh và đánh
giá các ưu điểm, khuyết điểm của các phương pháp điều
khiển lưu lượng.

-

Đề xuất các thuật toán và xây dựng kỹ thuật điều khiển
lưu lượng dựa trên các ngơn ngữ lập trình và giao thức
truyền tải IP.

-

Thiết kế, giả lập mơ hình truyền tải một mạng doanh

nghiệp áp dụng công nghệ SD-WAN phù hợp để thử
nghiệm.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4
-

Đánh giá kết quả thực hiện bằng các phần mềm mô phỏng
GNS3, Fortigate.

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ
TÀI
Ý nghĩa khoa học: Từ các thông số liên quan đến truyền tải
lưu lượng thực tế trong mạng SD-WAN như độ trễ, tỷ lệ mất gói, thơng
lượng, đề tài này đề xuất phương pháp điều khiển lưu lượng giúp cải
thiện chất lượng dịch vụ của khách hàng dựa trên các thơng số này,
xây dựng các thuật tốn và thử nghiệm trên mơ hình giả lập mạng. Từ
các kết quả thử nghiệm, đề tài sẽ đưa ra những đánh giá kết luận có ý
nghĩa khoa học trong lĩnh vực truyền tải lưu lượng trong mạng SDWAN.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài có khả năng làm cơ sở,
phương pháp áp dụng trong thiết kế điều khiển lưu lượng để cải thiện
nâng cao chất lượng dịch vụ, truyền tải lưu lượng trong mạng SDWAN khi triển khai tại các doanh nghiệp.
Bố cục của luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng SD-WAN
Chương 2: Đề xuất phương pháp điều khiển lưu lượng trong
mạng SD-WAN

Chương 3: Xây dựng các thuật toán trong phương pháp điều
khiển lưu lượng
Chương 4: Kết quả thực hiện và đánh giá hiệu quả.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


5
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG SD-WAN
1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
1.2 KIẾN TRÚC MẠNG SD-WAN
Mạng diện rộng định nghĩa bằng phần mềm (SD-WAN) là
một cách tiếp cận tự động, có lập trình để quản lý kết nối mạng doanh
nghiệp và chi phí mạng. Nó mở rộng mạng do phần mềm xác định
(SDN) thành một ứng dụng mà các doanh nghiệp có thể sử dụng để
nhanh chóng tạo ra một mạng WAN kết hợp thông minh.
Bao gồm IP VPN cấp doanh nghiệp, Internet băng thông rộng
và các dịch vụ không dây, SD-WAN cho phép bạn quản lý các ứng
dụng một cách hiệu quả về chi phí, đặc biệt là trên đám mây. Lưu
lượng được chuyển tiếp tự động và động qua đường dẫn WAN phù
hợp và hiệu quả nhất dựa trên các điều kiện mạng, bảo mật lưu lượng
ứng dụng và các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) cũng như chi
phí mạng. Bạn có thể đặt các chính sách định tuyến.
Với SD-WAN, các tổ chức có thể cung cấp các ứng dụng
nhanh nhạy hơn, dễ dự đoán hơn với chi phí thấp hơn trong thời gian
ngắn hơn so với các dịch vụ MPLS được quản lý mà doanh nghiệp sử
dụng theo cách truyền thống. Việc thiết lập mở rộng mạng nhanh
chóng, triển khai các khu vực trong vài phút; tận dụng bất kỳ dịch vụ

dữ liệu có sẵn nào như MPLS, truy cập Internet chuyên dụng (DIA),
băng thông rộng FTTH hoặc khơng dây 4G/5G; và có thể cấu hình lại
các khu vực ngay lập tức [1].
SD-WAN được thực hiện như một mạng các thiết bị SDWAN được kết nối bằng các đường hầm được mã hóa. Mỗi thiết bị
SD-WAN được kết nối với một tập hợp các dịch vụ mạng (thường là

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


6
MPLS và một số dịch vụ Internet) và giám sát tính khả dụng và hiệu
suất hiện tại của từng dịch vụ này. Lưu lượng truy cập đến thiết bị SDWAN được phân loại dựa trên ứng dụng và được ưu tiên sử dụng một
tập hợp các ưu tiên được quản lý tập trung trước khi được gửi đi qua
liên kết mạng tốt nhất hiện có [2].

(a)

(b)
Hình 1.1: Chuyển đổi từ mạng WAN truyền thống (a) sang
mạng SD-WAN (b) [3]

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


7
1.2.1 Kiến trúc logic

1.2.2 Kiến trúc vật lý
1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG SD-WAN
1.4 ƯU ĐIỂM CỦA MẠNG SD-WAN
1.4.1 Ưu điểm của công nghệ mạng SD-WAN
1.4.2 Ưu điểm mạng SD-WAN so sánh với MPLS
1.4.3 Ưu điểm mạng SD-WAN so sánh với public internet
1.4.4 Ưu điểm mạng SD-WAN so sánh với Internet-based VPN
1.5 CÁC GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI MẠNG SD-WAN HIỆN
NAY
1.5.1 Managed SD-WAN
1.5.2 SD-WAN as a Network-as-a-Service (NaaS)
1.5.3 Do-It-Yourself (DIY) SD-WAN
1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


8
CHƯƠNG 2 - ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LƯU
LƯỢNG TRONG MẠNG SD-WAN
2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
2.2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LƯU
LƯỢNG TRONG MẠNG SD-WAN
Điều khiển lưu lượng đề cập đến quá trình chọn đường dẫn
mà lưu lượng truy cập sẽ truyền tải qua mạng. Kỹ thuật điều khiển lưu
lượng được sử dụng để đạt được khả năng kiểm soát chi tiết về luồng
lưu lượng và sử dụng tối ưu tất cả các đường kết nối WAN có sẵn. Kỹ
thuật này có thể được sử dụng trên một liên kết truyền tải đơn hoặc

nhiều liên kết truyền tải tùy thuộc vào yêu cầu mạng của ứng dụng.
2.3 PHÂN TÍCH THƠNG SỐ ẢNH HƯỞNG CHẤT LƯỢNG
TRUYỀN TẢI DỊCH VỤ
2.3.1 Thông số liên quan đến đường truyền
2.3.1.1 Độ trễ
Độ trễ đặc trưng cho tốc độ gói tin: nó thường được đo bằng
thời gian khứ hồi (round-trip time - RTT), là thời gian để một gói được
gửi từ một điểm A đến đích B và sau đó quay trở lại A. RTT có thể
cho ví dụ được đo bằng cách sử dụng lệnh ping trên bộ định tuyến:
lệnh này sẽ gửi gói Internet Control Protocol (ICMP) đến địa chỉ đích
đã chỉ định và RTT có thể được suy ra từ gói tin phản hồi nhận lại
được.
2.3.1.2 Độ biến thiên trễ
Vì độ biến thiên trễ (jitter) được hình thành từ độ trễ của các
gói tin nên chúng ta có thể ưu tiên xem xét giá trị độ trễ trước tiên.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


9
2.3.2 Thông số liên quan đến độ tin cậy
2.3.2.1 Độ mất gói tin
Mất gói tin là tỷ lệ phần trăm gói bị mất trong q trình truyền
dữ liệu. Điều này có nghĩa là số lượng gói tin hợp lệ nhận được chia
cho số lượng gói tin được gửi đi. Sự khác biệt giữa hai giá trị này có
thể là do các gói tin này nhận được bị lỗi, khơng đầy đủ, không theo
thứ tự hoặc chúng đến quá lâu, vượt quá thời gian chờ tối đa (timeout)
cho phép trong trường hợp của giao thức TCP.

2.3.2.2 Thông lượng
Thông lượng - được biểu thị bằng bit trên giây - là phép đo
tổng lượng dữ liệu thực tế đi qua một kết nối trong một khoảng thời
gian xác định.
2.4 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG
TRONG MẠNG SD-WAN
2.4.1 Mơ hình phương pháp điều khiển lưu lượng
Chương trình với tên gọi Định tuyến nâng cao (Advanced
Routing) của SD-WAN được đề xuất áp dụng. Về các chi tiết thành
phần của khung chương trình: mơ-đun Giám sát mạng (Network
Monitoring) và mô-đun Quyết định đường đi (Decision Making) trong
Hình 2.2. Thuật tốn định tuyến đề xuất cần một tập hợp các tham số
đầu vào và đầu ra để xác định đường dẫn tối ưu nhất có thể. Các đầu
vào cho thuật tốn này được hình thành với sự trợ giúp của mô-đun
Giám sát mạng. Mô-đun Giám sát mạng thu thập số liệu thống kê từ
thông tin cấu trúc mạng. Các tham số mạng và tham số độ tin cậy được
tính tốn các kết quả trung gian cho thuật tốn bằng cách xem xét các
bộ tính năng mạng khác nhau trong SD-WAN. Với các đầu vào này,

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


10
mơ-đun Quyết định đường đi sau đó sẽ chọn đường dẫn tốt nhất có thể
để định tuyến theo các tình huống khác nhau theo thời gian thực
[28][40].

Hình 2.2: Mơ hình điều khiển lưu lượng Định tuyến nâng cao

2.4.2 Cơ chế hoạt động
➢ Khi mạng SD-WAN hoạt động, để có đủ thơng tin đầu vào
cần thiết cho chương trình Advanced Routing hoạt động chính
xác, mơ-đun Giám sát mạng thu thập thơng tin về các tệp
khách hàng nằm trong yêu cầu cần được tối ưu về chất lượng
dịch vụ đang sử dụng, bao gồm khách hàng gì, đích đến mong
muốn của khách hàng này hoặc nhu cầu cần ưu tiên sử dụng
dịch vụ gì.
➢ Sau đó, mơ-đun Giám sát mạng cần thơng tin đầu vào mong
muốn về tham số trên mạng lưới mà khách hàng quan tâm nhất
khi sử dụng các dịch vụ: độ trễ (latency), độ mất gói tin
(packet loss), thơng lượng (throughput)
➢ Với các thông tin đầu vào đã được thu thập để biết rõ nhu cầu
của người dùng, mô-đun Giám sát mạng sẽ tạo yêu cầu truy
xuất dữ liệu đến SD-WAN Controller liên quan tới các tham

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


11
số của từng hướng kết nối WAN đến các đích của dịch vụ
mong muốn cần sử dụng như độ trễ, độ mất gói tin, thơng
lượng. Giao thức kết nối và truy xuất dữ liệu của chương trình
tới thiết bị SD-WAN Controller là sử dụng Application
Programming Interface - API. API là một tập hợp các quy
trình, giao thức và cơng cụ để xây dựng các ứng dụng phần
mềm, nó quy định cách các thành phần phần mềm tương tác
và chia sẻ thông tin với nhau. API tạo điều kiện giao tiếp giữa

máy khách và máy chủ. Máy khách sẽ là một ứng dụng như
tập lệnh Python hoặc ứng dụng giao diện người dùng web và
máy chủ sẽ là thiết bị mạng hoặc bộ điều khiển. Ở đây máy
chủ là SD-WAN Controller và máy khách là chương trình
Advanced Routing sử dụng tập lệnh Python. Tập hợp các dữ
liệu này sẽ được gửi đến mơ-đun Quyết định đường đi
(Decision Making) để được tính tốn theo thuật tốn của nó
nhằm đưa ra một đường đi tối ưu nhất theo nhu cầu sử dụng.
Tiếp theo, chương trình sẽ sử dụng giao thức API để gửi yêu
cầu thực thi chính sách mong muốn dựa theo các Flow Rule
tới thiết bị SD-WAN Controller.
➢ SD-WAN Controller nhận được thông tin yêu cầu thay đổi
Flow Rule sẽ áp dụng vào Chính sách (policy) để định tuyến
lưu lượng qua hướng kết nối WAN mong muốn từ chương
trình Advanced Routing. Như vậy, khách hàng sẽ được định
tuyến và chuyển tiếp các gói tin theo u cầu chất lượng dịch
vụ của mình tới các đích mong muốn.
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


12
CHƯƠNG 3 - XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN TRONG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG
3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Trong bài luận văn này, các loại thuật toán TE được đề xuất
với mục đích cải thiện hiệu suất của mạng dựa trên SD-WAN về tính

khả dụng của dịch vụ. Trước tiên, luận văn đánh giá hiệu suất của thuật
toán TE mặc định của hệ thống. Sau đó, áp dụng các thuật tốn
Ngưỡng cứng (Hard Thresholding) và Trung bình trượt (Moving
Average) để giải quyết các hạn chế tồn tại và cải thiện hơn so với thuật
tốn mặc định. Ngồi ra, tơi có đề xuất sử dụng mơ hình SARIMA
(Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average) trong dự báo
lưu lượng trên các kết nối WAN nhằm mục đích dự đốn thời điểm sẽ
xảy ra nghẽn trong hệ thống mạng để xử lý và tính tốn kế hoạch cho
việc nâng cấp, mở rộng mạng lưới trong tương lai.
3.2 CÁC THUẬT TOÁN TRONG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN LƯU LƯỢNG
3.2.1 Các thuật toán mặc định của hệ thống SD-WAN
3.2.1.1 Cân bằng tải giữa các kết nối WAN
3.2.1.2 Lựa chọn đường đi theo ngưỡng độ trễ/mất gói/ được cấu
hình
3.2.1.3 Lựa chọn đường đi theo kết nối có giá trị độ trễ/mất gói tốt
nhất
3.2.2 Các thuật toán trong Advanced Routing
3.2.2.1 Ngưỡng cứng (Hard Thresholding)
Đầu tiên, ta chỉ định khoản thời gian ban đầu để hệ thống
Advanced Routing thu thập dữ liệu quan sát về độ trễ, mất gói, thơng

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


13
lượng của tất cả kết nối WAN từ mạng SD-WAN và tính tốn giá trị
trung bình của độ trễ/độ mất gói để thiết lập giá trị ngưỡng về độ trễ/độ

mất gói cho hệ thống. Sau đó, với mỗi chu kỳ thời gian được thiết lập
từ người quản trị, một giá trị trung bình mới của các kết nối WAN
được tính tốn lại và so sánh với ngưỡng. WAN nào có độ trễ/mất gói
nhỏ hơn hoặc bằng ngưỡng thì sẽ được chọn làm đường đi, cụ thể các
yêu cầu của thuật tốn như sau:
•

Tự động tính tốn thiết lập giá trị ngưỡng hệ thống về độ trễ/độ
mất gói cho hệ thống.

•

Lưu lượng san tải qua các WAN khi có các giá trị độ trễ/độ
mất gói thấp hơn (hoặc bằng) mức ngưỡng hệ thống. Nếu
khơng có kết nối WAN nào thỏa điều kiện trên, có thể tùy
chọn san tải đều trên các kết nối WAN hoặc chọn WAN có độ
trễ/độ mất gói thấp nhất.

•

Thơng lượng trên WAN được chọn đạt tới mức nghẽn (mặc
định cấu hình 90% băng thơng của WAN) thì lưu lượng được
tự động san tải sang các kết nối cịn lại.

Ngồi ra, thuật tốn này cịn có lựa chọn kết hợp mức độ ưu tiên theo
độ trễ và độ mất gói theo u cầu:
•

Lưu lượng san tải qua các WAN phải đồng thời vừa có độ mất
gói nhỏ hơn (hoặc bằng) ngưỡng mất gói và có độ trễ nhỏ hơn

(hoặc bằng) ngưỡng độ trễ của hệ thống. Nếu không có kết nối
WAN nào thỏa điều kiện trên thì:
-

Lựa chọn 1: (nếu độ mất gói được ưu tiên hơn) WAN
có độ mất gói nhỏ nhất sẽ được chọn làm tuyến đường
đi chính. Nếu có nhiều hơn một kết nối WAN cùng
giá trị độ mất gói thì kết nối WAN nào có độ trễ nhỏ

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


14
hơn sẽ được chọn.
-

Lựa chọn 2: (nếu độ trễ được ưu tiên hơn) WAN có
độ trễ nhỏ nhất sẽ được chọn. Nếu có nhiều hơn một
kết nối WAN cùng giá trị độ trễ thì kết nối WAN nào
có độ mất gói nhỏ hơn sẽ được chọn.

3.2.2.2 Trung bình trượt (Moving Average)
Đường trung bình trượt theo sau: Giá trị tại thời điểm (t) được
tính là giá trị trung bình của các quan sát thơ tại (t) và trước thời điểm
(t). Ví dụ: một đường trung bình trượt theo sau có cửa sổ là 3 sẽ được
tính như sau:
Trail_MA(t) = mean(obs(t − 2), obs(t − 1), obs(t))


(3.1)

Đường trung bình trượt chỉ sử dụng các quan sát các giá trị đã
xảy ra và được sử dụng để dự báo chuỗi thời gian. Đây là loại đường
trung bình mà chúng ta sẽ tập trung vào trong thuật tốn này.
Đầu tiên, ta chỉ định kích thước cửa sổ và theo mặc định, một
cửa sổ theo sau “trailing window” sẽ được tạo. Khi cửa sổ được tạo,
chúng ta có thể lấy giá trị trung bình và đây là tập dữ liệu đã biến đổi
của chúng ta. Từ đó, WAN nào có độ trễ/mất gói nhỏ nhất thì sẽ được
chọn, cụ thể các yêu cầu của thuật tốn như sau:
•

Tự động tính tốn độ trễ/độ mất gói theo thuật toán Moving
Average và lựa chọn kết nối WAN có độ trễ/độ mất gói thấp
nhất làm tuyến đường đi.

•

Lưu lượng san tải đều qua các WAN khi có cùng giá trị độ
trễ/độ mất gói thấp nhất.

•

Thơng lượng trên WAN được chọn đạt tới mức nghẽn (mặc

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



15
định cấu hình 90% băng thơng của WAN) thì lưu lượng được
tự động san tải sang các kết nối còn lại.
Ngồi ra, thuật tốn này cịn có lựa chọn kết hợp mức độ ưu tiên theo
độ trễ và độ mất gói theo u cầu:
•

Kết hợp mức độ ưu tiên theo độ trễ và độ mất gói:
-

Lựa chọn 1: (nếu độ mất gói được ưu tiên hơn) WAN có
độ mất gói nhỏ nhất sẽ được chọn làm tuyến đường đi
chính. Nếu có nhiều hơn một kết nối WAN cùng giá trị độ
mất gói thì kết nối WAN nào có độ trễ nhỏ hơn sẽ được
chọn.

-

Lựa chọn 2: (nếu độ trễ được ưu tiên hơn) WAN có độ trễ
nhỏ nhất sẽ được chọn. Nếu có nhiều hơn một kết nối
WAN cùng giá trị độ trễ thì kết nối WAN nào có độ mất
gói nhỏ hơn sẽ được chọn.

3.2.2.3 Mơ hình SARIMA
Mơ hình SARIMA hay mơ hình ARIMA theo mùa
Dự báo u cầu băng thông là một phần quan trọng của thiết
kế mạng và lập kế hoạch đảm bảo an toàn trong vận hành khai thác
dịch vụ. Trong bối cảnh này, dự báo băng thơng kịp thời và chính xác
là rất hữu ích để lập kế hoạch tài nguyên mạng, mở rộng và nâng cấp
kịp thời để tránh tắc nghẽn và suy giảm chất lượng dịch vụ QoS. Cách

tự nhiên để dự báo yêu cầu băng thông cho mạng hiện tại là phân tích
các xu hướng trong q khứ và áp dụng mơ hình tốn học thích hợp
để dự đốn lưu lượng đạt mức cao nhất vào thời điểm trong tương lai.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


16
a) Cơ sở lý thuyết
Khi xử lý các hiệu ứng theo mùa, tôi sử dụng ARIMA theo
mùa, được ký hiệu là ARIMA (p, d, q)(P, D, Q)s. Ở đây, (p, d, q) là
các tham số không theo mùa, trong khi (P, D, Q) theo cùng một định
nghĩa nhưng được áp dụng cho thành phần theo mùa của chuỗi thời
gian. Thuật ngữ s là chu kỳ của chuỗi thời gian (ví dụ: 24 cho khoảng
thời gian hàng ngày, 12 cho khoảng thời gian hàng năm, v.v.).. Mơ
hình SARIMA được biểu diễn bởi:
b) Các bước triển khai
Nhận dạng mơ hình
Xác định các giá trị (D, d, p, P, q, Q).
Ước lượng các tham số sử dụng phương pháp ước lượng cực
đại hợp lý để ước lượng giá trị các tham số này.
AIC (tiêu chí thơng tin Akaike) là một số liệu cho chúng ta
biết mức độ tốt của một mơ hình. Giá trị càng nhỏ thì mơ hình càng
tốt.
Kiểm định mơ hình
Dự báo
Dựa trên mơ hình được lựa chọn thực hiện dự báo giá trị tương
lai của dữ liệu chuỗi thời gian theo mùa vụ, cũng như đưa ra khoảng

tin cậy của dự báo. Giá trị tương lai có thể được dự báo cho thời điểm
kế tiếp hoặc theo mùa/chu kỳ kế tiếp.
3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


17
CHƯƠNG 4 – KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU
QUẢ
4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
4.2 KẾT QUẢ THỰC HIỆN
4.2.1 Thiết lập mơi trường lab
Thiết lập mơ hình lab SD-WAN ở Hình 4.1 với các nút mạng
điều khiển kết nối WAN chạy trên nền thiết bị hãng Fortigate.. Chương
trình Advanced Routing được xây dựng bằng ngôn ngữ Python chạy
trên hệ thống máy chủ Server hoạt động 24/24h giúp thu thập thơng
tin tình trạng mạng SD-WAN và là nơi xử lý chính để đưa ra các quyết
định đường đi lưu lượng và truyền tải lệnh thực thi tới thiết bị điều
khiển SD-WAN.

Hình 4.1: Mơ hình cấu trúc lab SD-WAN
Đối với thử nghiệm mơi trường lab cho hai thuật toán Hard
thresholding và Moving Average, chúng tôi trước tiên tự đánh giá hiệu
quả của thuật tốn và sau đó so sánh với hệ thống TE mặc định của
thiết bị SD-WAN Fortigate: san tải đều trên các WAN (loadbalancing) và lựa chọn theo đường đi có chất lượng tốt nhất về độ
trễ/độ mất gói (Best Quality). Kết quả đo kiểm từ người dùng
User_LAN1 bằng công cụ ping sẽ thể hiển được giá trị độ trễ/độ mất

gói khi kết nối đến điểm đích cần đo qua hệ thống SD-WAN khi sử
dụng thuật toán mặc định của thiết bị Fortigate và khi áp dụng các

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


18
thuật tốn của Advanced Routing. Riêng đối với mơ hình SARIMA,
do môi trường lab giới hạn về giả lập lưu lượng người dùng thực tế và
thiết bị SD-WAN của Fortigate khơng có tính năng dự báo lưu lượng
để so sánh đối chiếu, nên chúng tôi tự đánh giá dựa vào dữ liệu lưu
lượng thực tế của một khách hàng thuê kênh WAN từ nhà cung cấp
dịch vụ ISP VNPT.
4.2.2 Kết quả với Ngưỡng cứng (Hard thresholding)
Khởi tạo chương trình Advanced Routing với TE Hard thresholding,
để truy vấn tính giá trị ngưỡng hệ thống ta tùy chọn cấu hình thời gian
thu thập giá trị độ trễ/độ mất gói của các hướng WAN và đưa ra giá trị
ngưỡng tương ứng (span). Ví dụ với span = 10 và sau mỗi chu kỳ
interval = 5s thì sẽ tính giá trị độ trễ của WAN và so sánh với ngưỡng
để cập nhật lại tuyến đường đi

(a)

(b)

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



19

(c)
Hình 4.3: Độ trễ các kết nối WAN (a), Độ trễ khi dùng TE mặc định
(b), Độ trễ khi dùng Hardthresholding span = 10, interval = 5 (c)

(a)

(b)

(c)
Hình 4.4 Độ mất gói các kết nối WAN (a), Độ mất gói khi
dùng TE mặc định của hệ thống (b), Độ mất gói khi dùng
Ngưỡng cứng (c)

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


20
Tương tự ở Hình 4.4 đối với tỷ lệ mất gói, hệ thống sau khi áp
dụng thuật tốn Ngưỡng cứng cũng giúp giảm được tỷ lệ mất gói khi
sử dụng hệ thống SD-WAN khi so sánh với hệ thống mặc định.
4.2.3 Kết quả với Trung bình trượt (Moving Average)

(a)


(b)

(c)
Hình 4.7 Độ trễ các kết nối WAN (a), Độ trễ khi dùng TE “Best
Quality” (b), Độ trễ khi dùng Moving Average (c)
Kết quả thử nghiệm đối với độ mất gói cũng đạt kết quả tương tự, lựa
chọn đường đi tốt nhất.
Trong tất cả trường hợp của Hardthresholding và Moving
Average, rất có thể kết nối được chọn có khả năng bị nghẽn do tất cả
lưu lượng đều đổ dồn về kết nối ưu tiên này, nên Advanced Routing
được tích hợp thêm tính năng giám sát lưu lượng nếu vượt quá 90%

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


21
băng thơng của kết nối WAN (có thể tùy chỉnh mức nghẽn này) thì sẽ
san tải đều lưu lượng qua các kết nối khác, tránh ảnh hưởng dịch vụ.
4.2.2 Kết quả với mơ hình SARIMA
Do sự hạn chế của mơi trường lab về việc giả lập lưu lượng
người dùng tương tự như hành vi người dùng thực tế nên tôi sử dụng
dữ liệu lưu lượng lấy từ một khách hàng thuê một kênh WAN của nhà
cung cấp dịch vụ (ISP) VNPT làm dữ liệu đầu vào để kiểm nghiệm
mơ hình SARIMA. Ngồi ra, hệ thống SD-WAN Fortigate khơng có
tính năng dự báo lưu lượng trong tương lai nên không thể đối chiếu
kết quả kiểm nghiệm. Vì thế, tơi tự đánh giá tính hiệu quả của mơ hình
SARIMA từ chính dữ liệu đầu vào.
Thu thập dữ liệu

Tập dữ liệu về lưu lượng truyền tải qua một kết nối WAN
được lấy thực tế từ khách hàng thuê một kênh WAN từ nhà cung cấp
dịch vụ ISP VNPT để làm dữ liệu đầu vào kiểm nghiệm cho thuật toán.
Dữ liệu ban đầu sẽ được xử lý lấy giá trị trung bình các mẫu trong mỗi
1h thành một giá trị đại diện cho khung giờ đó để giúp đơn giản tập
dữ liệu khi xử lý sau này.

Hình 4.13: Phân rã chuỗi thời gian thành các thành phần mức độ, xu
hướng, tính thời vụ và nhiễu.
Bây giờ tơi có thể sử dụng bộ ba tham số được xác định ở trên
để tự động hóa quá trình đào tạo và đánh giá các mơ hình ARIMA trên
các tổ hợp khác nhau. Trong Thống kê và Học máy, quá trình này được

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


22
gọi là tìm kiếm lưới (hoặc tối ưu hóa siêu tham số) để lựa chọn mơ
hình. AIC (Akaike Information Criterion) đo lường mức độ phù hợp
của một mơ hình với dữ liệu trong khi tính đến độ phức tạp tổng thể
của mơ hình. Một mơ hình phù hợp với dữ liệu rất tốt trong khi sử
dụng nhiều tính năng sẽ được chỉ định một điểm AIC lớn hơn so với
một mơ hình sử dụng ít tính năng hơn để đạt được cùng một mức độ
phù hợp [37].
=> ARIMA (1, 1, 1) x (0, 1, 1, 24) mang lại giá trị AIC thấp nhất là
1222.92.

Hình 4.15: Biểu đồ các giá trị thực và dự báo của chuỗi dữ liệu


Hình 4.16: Biểu đồ dự đoán chuỗi dữ liệu tiếp theo trong tương lai
4.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
Kết quả thực nghiệm trong môi trường lab đều đã đáp ứng
được yêu cầu từ thuật toán Định tuyến nâng cao được đề xuất để cải
thiện chất lượng truyền tải lưu lượng trong mạng SD-WAN. Tùy theo
yêu cầu sử dụng và khả năng đáp ứng từ hệ thống của mỗi mạng thực

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


23
tế mà có thể lựa chọn thuật tốn mong muốn. Đối với thuật toán mặc
định của hệ thống SD-WAN là cân bằng tải, tất cả hướng WAN đều
được sử dụng trong q trình truyền tải lưu lượng giúp tăng tính khả
dụng và dự phòng cao nhưng dẫn đến chất lượng dịch vụ QoS bị giảm
sút nếu có các kết nối chất lượng kém về độ trễ/độ mất gói cao. Có thể
sử dụng tính năng “Best Quality” của SD-WAN Fortigate khi lưu
lượng ln được truyền tải trên một hướng WAN có độ trễ hoặc độ
mất gói tốt nhất để đạt được QoS cao, nhưng dẫn đến mọi thời điểm
chỉ có duy nhất một kết nối được sử dụng sẽ dễ gây ra nghẽn. Các vấn
đề này được xử lý tối ưu hơn khi áp dụng hệ thống Advanced Routing
khi vừa tận dụng được đường đi tối ưu hơn và có thể san tải sang kết
nối tốt khác nếu đáp ứng đủ điều kiện trong khi kết hợp theo dõi lưu
lượng nếu đạt mức. Với thuật tốn Ngưỡng cứng, phải có một khoản
thời gian theo dõi đủ dài, có thể là 24 giờ hoặc 3 đến 5 ngày để có cái
nhìn tổng quan và đầy đủ về trạng thái các kết nối mạng để tự đưa ra
mức ngưỡng tốt nhất và sau đó đều có chu kỳ cập nhật lại nếu có các

kết nối tốt hơn mức ngưỡng này thì đều được chọn làm tuyến đường
đi, cịn khơng kết nối nào thỏa điều kiện thì vẫn có tùy chọn tuyến
đường tốt nhất có thể. Với thuật tốn Trung bình trượt, nhằm đáp ứng
cho các dịch vụ yêu cầu khắt khe hơn về chất lượng, luôn đảm bảo
dịch vụ truyền tải trên hướng WAN tốt nhất có thể, đồng thời tuyến
đường tốt nhất luôn được kiểm tra cập nhật lại liên tục và kèm theo có
thể san tải sang tuyến đường tốt tương đương nếu có. Hơn nữa, tính
năng dự báo lưu lượng dựa theo mơ hình SARIMA giúp hỗ trợ lập kế
hoạch mở rộng và nâng cấp mạng kịp thời để tránh tắc nghẽn mà hệ
thống SD-WAN mặc định khơng có.
4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ