THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN CHỒNG GIAO THỨC GTP CHO MẠNG DI ĐỘNG LTE (P2)

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM

Các tiêu chí đánh giá GTP stack

-Over-head tĩnh và động của stack: Đây là lượng tài nguyên tiêu thụ với mức tải khác nhau. Over-head xử lý thấp giúp hệ thống có khả năng xử lý cao.

-Khả năng quản lý tài nguyên hiệu quả. Theo thời gian, các tài nguyên như CPU/RAM được cấp phát cho các phiên khi được thiết lập và thu hổi khi kết thúc phiên. Nếu sự quản lý cấp phát không tốt, các tài nguyên sẽ được cấp mà không thu hổi đầy đủ sẽ tạo ra sự rò rỉ tài nguyên (chẳng hạn CPU liên tục phải giám sát các FMS cũ, bộ nhớ sử dụng không giải phóng...) và hệ thống sẽ hết tài nguyên sau một thời gian.

-Trễ xử báo hiệu, đây là trễ xử lý trong mạng LTE tính từ khi UE kích hoạt đến khi tạo xong một Default bearer. Đối với stack GTP thì trễ này phụ thuộc vào lớp ứng dụng GTP trong từng thực thể lõi LTE, chẳng hạn đối với SGW thì trễ này tính bắt đầu từ khi nhận được bản Create Session Request từ MME đến khi SGW gửi lại Modify Bearer Response, trong thời gian này SGW thực hiện việc xử lý bản tin báo hiệu, định tuyến đến PGW, xin cấp phát các tài nguyên cho các tunnel truyền dữ liệu (các GTP-U tunnel).

-Trễ truyền dữ liệu: Là thời gian truyền một gói dữ liệu GTPU qua một miền mạng LTE. Trễ này có sự tích lũy trễ lan truyền trên các kết nối giữa các thành phần  mạng LTE và trễ xử lý trên các thực thể mạng. Đối với stack GTP thì trễ này được tính từ khi gói tin dữ liệu GTP-U đến đầu vào và ra khỏi đầu ra của thực thể mạng (SGW chẳng hạn). Tại các thực thể này gói tin được xếp hàng đợi vào, định tuyến đến đầu ra, lập lịch phát và chuyển tiếp đến đầu ra.

-Tỷ lệ mất gói GTP-U khi tải thay đổi. Thực tế việc mất gói trong điều kiện thông thường này do bản chất cố hữu của lớp UDP gây ra. Lớp GTP chỉ cắt các gói dữ liệu trong trường hợp có kiểm soát tốc độ vào/ra của các bearer, cơ chế sử dụng là token- bucket [6].

Mô hình thử nghiệm GTP stack

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng Test-bed có Topology như Hình 4. Topo này mô phỏng cấu trúc một mạng lõi LTE đơn giản gồm các thành phần chính như: eUtran (UE/eNb/ MME), SGW, PGW.

Phần tử mạng lõi LTE sử dụng GTP stack đầy đủ nhất bao gồm cả phần điều khiển và dữ liệu là SGW. SGW có chức năng làm trung gian thiết lập các tunnel cũng như truyền dữ liệu GTPU từ các UE tới Host, SGW cũng có nhiều giao diện nhất, khối lượng xử lý lớn nhất và các phép đo kiểm tra GTP stack sẽ tiến hành xung quanh thực thể này. Ở đây, phần ứng dụng GTP trong SGW sẽ giản lược tối đa để có thể đánh giá sát hơn cho GTP stack.

Trong test-bed, hệ thống SGW gồm phần mềm SGW chạy trên Hardware có cấu hình IBM x3650 M4 Xeon, CPU Intel 2.40GHz, 4GB RAM và các giao diện mạng là Giga-Ethernet.

Phương pháp đo kiểm và đánh giá hiệu năng của GTP stack

Trễ gói tin tại một nút mạng trong mạng lõi LTE có thể minh họa như Hình 5. Trễ được tính từ khi gói tin vào đầu vào của nút mạng đến khi ra khỏi nút qua một giao diện khác gồm 3 đoạn (d1) trễ đầu vào, (d2) Trễ xử lý gói tin và (d3) trễ đầu ra.

Trong đó:

-Trễ đầu vào (d1) sinh ra bởi việc thu gói tin trên card mạng, xếp hàng đợi trong hệ điều hành trước khi gửi tới lớp ứng dụng để xử lý.

-Trễ xử lý (d2) phát sinh do việc bóc thông tin mào đầu của gói tin, phân loại gói tin, lập lịch xử lý, định tuyến và chuyển tiếp gói tin đến đầu ra. Đây chính là phần trễ xử lý do GTP stack gây ra.

-Trễ đầu ra (d3) tính từ khi ứng dụng gửi gói tin tới card mạng đến khi gói tin ra khỏi card mạng. Trong khâu này gói tin có thể được hệ điều hành xếp hàng đợi để đợi các tài nguyên sẵn sàng.

Việc đo tách biệt giữa trễ đầu vào (d1) và trễ đầu ra (d3) rất khó và không mang nhiều ý nghĩa vì đó đều là do hoạt động của hệ điều hành, phần cứng server. Do đó nhóm thực hiện đã thực hiện đo như sau:

-Đo thời gian từ khi gói tin vào hệ thống tới khi gói tin đi ra khỏi hệ thống (d1 d2 d3) bằng công cụ chuyên dụng.

-Đo thời gian xử lý trong phần mềm (d2) bằng cách sử dụng đổng hổ phân giải cao của hệ điều hành;

Các số liệu liên quan đến tiêu thụ tài nguyên (CPU, Memory) được lấy từ các công cụ hỗ trợ của Hệ điều hành.

Kết quả đo và đánh giá

Bài đo 1: Over-head tĩnh trong chiếm dụng tài nguyên bộ nhớ của SGW khi số thuê bao tăng.

Thực hiện:

Lần lượt cho các user attach vào hệ thống theo các mức 100, 500, 1000, ghi nhận chiếm dụng bộ nhớ trên Task management của hệ điều hành.

Kết quả:

Nhận xét: Over-head Memory tĩnh tăng gần như tuyến tính với số lượng thuê bao. Sở dĩ như vậy là vì mỗi thuê bao được cấp phát một lượng bộ nhớ xác định cho việc quản lý thông tin và dữ liệu cho thuê bao đó. Over head tĩnh về CPU rất nhỏ (khoảng 0,01% CPU) và hầu như không phụ thuộc vào lượng thuê bao.

Bài đo 2: Trễ xử lý khi số lượng thuê bao đổng thời tăng. (Delay/Load cho di, d2 trên cùng HW).

Thực hiện:

-Lần lượt cho các user attach vào hệ thống theo các mức 100, 500, 1.000 đến khi đạt 2.000 thuê bao với tốc độ 10 user trong 1 giây; Mỗi user được đặt timer để gửi nhận gói tin liên tục với tốc độ 1 bản tin trong 1 giây.

Kết quả:

Nhận xét: Trễ xử lý d2 do GTP stack tương đối nhỏ và hầu như không tăng. Giá trị d1 và d3 tăng mạnh khi số lượng thuê bao tăng. Như vậy, để đáp ứng yêu cầu trễ xử lý toàn hệ thống < 10ms, thì với cấu hình server thử nghiệm, số lượng thuê bao đổng thời tối đa đạt được là 2.000 thuê bao.

KẾT LUẬN

Phần mềm GTP stack, sản phẩm của đề tài KC01- 09 11/15 do Viện công nghệ TT&TT CDrr được phát triển trên ngôn ngữ ANSI-C dễ dàng chạy trên các hệ điều hành khác nhau, được thiết kế tối ưu cho hiệu năng phù hợp các các ứng dụng có tính hệ thống yêu cầu hiệu năng, được thiết kế theo mô hình phân lớp với giao diện đóng gói rõ ràng đã sử dụng thành công trong xây dựng hệ thống SGW của đề tài KC01-09 11/15. Stack này cũng dễ dàng sử dụng trong các ứng dụng cho phát triển các thực thể LTE khác cũng như công tác đào tạo trong ngành Telecom của các trường đại học.

Tài liệu tham khảo

[1].3GPP TS 23.060: “Genera! Packet Radio Service (GPRS); Service descripthn; Stage 2". -release 6.
[2].3GPP TS 29.060: "Genera! Packet Radio Service (GPRS); GPRS Tunnelling Protocol (GTP) across the Gn and Gp interface". -release 8.
[3].3GPP TS 29.281: General Packet Radio System (GPRS) Tunnelling Protocol User Plane (GTPv1-U).
[4].3GPP TS 29.274: Evolved General Packet Radio Service (GPRS) Tunnelling Protocol for Control plane (GTPv2-C); Stage 3(Release 10).
[5].IETF RFC 768 (STD 0006): “User Datagram Protocol”, J. Postel.
[6].http://www.wireshark.org/.
[7].http://en.wikipedia.org/wiki/Tokenj3ucket.
[8].http://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_ Telecommunicationsj

ThS. Hoàng Mạnh Thắng