Luận án Tiến sĩ Máy tính: Nghiên cứu cải tiến cơ chế điều khiển tại các nút mạng

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu và đánh giá các cơ chế quản lý hàng đợi tích hình hiện có để tìm ra ưu và khuyết điểm của từng cơ chế, nhằm phân lớp ứng dụng và đánh giá hiệu năng cho các cơ chế. Đồng thời, sử dụng logic mờ để cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện có; các kết quả này là thực hiện động lực nghiên cứu đầu tiên, sẽ làm nền tảng lý thuyết và mô phỏng cho các cải tiến chính của luận án.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Máy tính: Nghiên cứu cải tiến cơ chế điều khiển tại các nút mạng

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN KIM QUỐC NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN TẠI CÁC NÚT MẠNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ MÁY TÍNH HUẾ - 2015
ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN KIM QUỐC NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN TẠI CÁC NÚT MẠNG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 62.48.01.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. NGUYỄN THÚC HẢI 2. PGS. TS. VÕ THANH TÚ HUẾ - 2015
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu trình bày trong luận án đã được kiểm tra kỹ và phản ánh hoàn toàn trung thực. Các kết quả nghiên cứu do tác giả đề xuất chưa từng được công bố trên bất kỳ tạp chí nào đến thời điểm này ngoài những công trình của tác giả. Tp. Huế, ngày 5 tháng 10 năm 2015 Tác giả luận án Nguyễn Kim Quốc i
LỜI CÁM ƠN Trước hết, từ tận đáy lòng, tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc nhất đến Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Thúc Hải - Viện công nghệ thông tin – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Phó giáo sư, Tiến sĩ Võ Thanh Tú – Khoa công nghệ thông tin - Đại học Khoa học đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất, giúp tôi thực hiện và hoàn thành luận án này. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám đốc Đại học Huế, Ban giám hiệu Trường Đại học Khoa học và Ban lãnh đạo Trường Đại học Nguyễn Tất Thành đã chia sẻ, động viên tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành công việc nghiên cứu của mình. Tôi xin trân trọng, biết ơn sâu sắc Quý Thầy Cô trong Khoa công nghệ thông tin - Đại học Khoa học đã tận tâm dạy tôi và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi tham gia học tập và nghiên cứu khoa học tại Khoa. Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học đã phản biện, đóng góp nhiều ý kiến xây dựng và trao đổi về các vấn đề lý thuyết cũng như thực tiễn để luận án được hoàn thiện. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn đến vợ và con đã luôn chia sẻ, gánh đỡ những khó khăn cũng như dành những tình cảm, động viên tinh thần không thể thiếu đối với tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tp. Huế, ngày 5 tháng 10 năm 2015 Tác giả luận án Nguyễn Kim Quốc ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ i LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT .................................................................. ix DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ .................................................................. xii DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................xv MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. KIỂM SOÁT TẮC NGHẼN TRONG MẠNG TCP/IP DỰA TRÊN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TẠI NÚT MẠNG ............................................ 9 1.1. Kiểm soát tắc nghẽn trong mạng TCP/IP............................................................. 9 1.1.1. Mô hình hoạt động của TCP/IP ...................................................................... 10 1.1.1.1. Mô hình truyền thông trong mạng TCP/IP ................................................10 1.1.1.2. Mô hình toán học của TCP/IP ......................................................................11 1.1.2. Tắc nghẽn trong mạng TCP/IP ....................................................................... 12 1.1.2.1. Nguyên nhân tắc nghẽn ................................................................................13 1.1.2.2. Nguyên lý kiểm soát tắc nghẽn ....................................................................14 1.1.2.3. Kỹ thuật kiểm soát tắc nghẽn .......................................................................14 1.1.3. Kiểm soát tắc nghẽn của giao thức TCP ........................................................ 15 1.1.4. Kiểm soát tắc nghẽn bằng quản lý hàng đợi .................................................. 18 1.1.5. Quản lý hàng đợi tích cực .............................................................................. 19 1.1.5.1. Kiến trúc nút mạng .......................................................................................19 1.1.5.2. Kiểm soát tắc nghẽn bằng quản lý hàng đợi tích cực ..................................20 1.1.5.3. Ưu điểm của quản lý hàng đợi tích cực .......................................................21 1.1.6. Kỹ thuật thông báo tắc nghẽn rõ ràng ............................................................ 22 1.2. Phân tích và đánh giá các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực ........................... 23 iii
1.2.1. Cơ chế quản lý dựa trên chiều dài hàng đợi ................................................... 24 1.2.1.1. Cơ chế RED .................................................................................................24 1.2.1.2. Cơ chế FRED ...............................................................................................26 1.2.2. Cơ chế quản lý dựa trên tải nạp ...................................................................... 27 1.2.2.1. Cơ chế BLUE ...............................................................................................27 1.2.2.2. Cơ chế SFB ..................................................................................................28 1.2.3. Cơ chế quản lý dựa trên chiều dài hàng đợi và tải nạp .................................. 30 1.2.3.1. Cơ chế REM .................................................................................................30 1.2.3.2. Cơ chế GREEN ............................................................................................32 1.2.4. Đánh giá hiệu năng và phân lớp ứng dụng các cơ chế AQM ........................ 33 1.2.4.1. Đánh giá hiệu năng cơ chế AQM.................................................................33 1.2.4.2. Phân lớp ứng dụng các cơ chế AQM ...........................................................33 1.3. Tình hình ứng dụng logic mờ trong quản lý hàng đợi tích cực ......................... 34 1.3.1. Các cơ chế dùng logic mờ cải tiến RED ........................................................ 34 1.3.1.1. Cơ chế FEM .................................................................................................34 1.3.1.2. Cơ chế FCRED ............................................................................................35 1.3.2. Các cơ chế dùng logic mờ cải tiến BLUE ...................................................... 35 1.3.2.1. Cơ chế FUZZY BLUE .................................................................................35 1.3.2.2. Cơ chế DEEP BLUE ....................................................................................36 1.3.3. Các cơ chế dùng logic mờ cải tiến REM........................................................ 36 1.3.3.1. Cơ chế FREM ..............................................................................................36 1.3.3.2. Cơ chế FUZREM .........................................................................................36 1.3.4. Cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi dùng điều khiển mờ ................................... 36 1.3.4.1. Cải tiến cơ chế BLUE ..................................................................................37 1.3.4.2. Cải tiến cơ chế SFB......................................................................................37 1.4. Một số tồn tại trong các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực ................................ 38 iv
1.5. Kết luận chương ................................................................................................ 39 CHƯƠNG 2. CẢI TIẾN CƠ CHẾ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC DỰA TRÊN ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI................................................................. 40 2.1. Cơ sở toán học của logic mờ .............................................................................. 40 2.1.1. Tập mờ ........................................................................................................... 40 2.1.2. Các dạng hàm thuộc của tập mờ .................................................................... 41 2.1.3. Các thông số đặc trưng cho tập mờ ................................................................ 42 2.1.4. Các phép toán trên tập mờ.............................................................................. 43 2.1.5. Luật hợp thành mờ ......................................................................................... 44 2.1.6. Giải mờ ........................................................................................................... 46 2.1.7. Điều khiển mờ ................................................................................................ 47 2.1.7.1. Mô hình điều khiển mờ ................................................................................47 2.1.7.2. Hệ mờ Mamdani ..........................................................................................48 2.1.7.3. Hệ mờ Sugeno ..............................................................................................49 2.2. Phân tích các cơ chế AQM sử dụng logic mờ.................................................... 49 2.2.1. Phân tích cơ chế FEM .................................................................................... 49 2.2.2. Phân tích cơ chế FUZREM ............................................................................ 52 2.2.3. Một số vấn đề còn tồn tại của cơ chế AQM dùng điều khiển mờ .................. 54 2.3. Xây dựng mô hình điều khiển mờ thích nghi AFC cải tiến AQM ..................... 55 2.3.1. Đề xuất bộ điều khiển mờ thích nghi AFC cải tiến AQM ............................. 55 2.3.1.1. Mô hình điều khiển mờ thích nghi AFC ......................................................55 2.3.1.2. Hoạt động của bộ điều khiển mờ thích nghi AFC .......................................56 2.3.2. Xác định các biến đầu vào và đầu ra cho AFC .............................................. 57 2.3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ cho AFC ........................................................... 57 2.3.3.1. Hệ số đầu vào ...............................................................................................57 2.3.3.2. Mờ hóa đầu vào ............................................................................................57 v
2.3.3.3. Hệ luật cơ sở suy diễn mờ ............................................................................58 2.3.3.4. Giải mờ đầu ra ..............................................................................................58 2.3.4. Xây dựng mô hình mẫu cho AFC .................................................................. 59 2.3.5. Xây dựng cơ chế thích nghi cho AFC ............................................................ 59 2.4. Cải tiến cơ chế RED bằng điều khiển mờ thích nghi AFC ............................. 60 2.4.1. Mờ hóa biến đầu vào của FLRED .................................................................. 61 2.4.2. Mờ hóa biến đầu ra của FLRED .................................................................... 63 2.4.3. Xây dựng luật cơ sở suy diễn mờ cho FLRED .............................................. 63 2.4.4. Mặt cong suy diễn của FLRED ...................................................................... 65 2.4.5. Minh họa tính toán đầu ra hệ thống mờ FLRED............................................ 65 2.5. Cải tiến cơ chế REM bằng điều khiển mờ thích nghi AFC............................. 67 2.5.1. Mờ hóa biến đầu vào của FLREM ................................................................. 67 2.5.2. Mờ hóa biến đầu ra của FLREM .................................................................... 69 2.5.3. Xây dựng luật suy diễn cho FLREM ............................................................. 70 2.5.4. Mặt cong suy diễn của FLREM ..................................................................... 72 2.6. Mô phỏng đánh giá hiệu quả của cơ chế FLRED và FLREM ........................... 73 2.6.1. Cài đặt mô phỏng các cơ chế FLRED và FLREM ......................................... 73 2.6.1.1. Cài đặt chương trình cho các cơ chế FLRED và FLREM ...........................73 2.6.1.2. Qui trình mô phỏng và đánh giá các cơ chế AQM ......................................73 2.6.1.3. Các tiêu chí đánh giá hiệu năng các cơ chế AQM .......................................74 2.6.2. Đánh giá độ ổn định các cơ chế FLRED và FLREM .................................... 75 2.6.2.1. Mô hình mạng đơn máy nhận ......................................................................75 2.6.2.2. Kiểm soát hàng đợi của các cơ chế FLRED và FLREM .............................76 2.6.2.3. Khả năng đáp ứng của các cơ chế FLRED và FLREM ...............................78 2.6.3. Đánh giá hiệu năng các cơ chế FLRED và FLREM ...................................... 80 2.6.3.1. Mô hình mạng đa máy nhận.........................................................................80 vi
2.6.3.2. Đánh giá tỉ lệ mất gói tin của cơ chế FLRED và FLREM ...........................82 2.6.3.3. Đánh giá mức độ sử dụng đường truyền của cơ chế FLRED và FLREM ...83 2.7. Kết luận chương ................................................................................................. 84 CHƯƠNG 3. TÍCH HỢP LẬP LUẬN MỜ VỚI MẠNG NƠ-RON NÂNG CAO HIỆU NĂNG QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC ................................................. 85 3.1. Tổng quan mạng nơ-ron nhân tạo ...................................................................... 85 3.1.1. Đơn vị xử lý (nơ-ron) ..................................................................................... 86 3.1.1.1. Liên kết trong mạng nơ-ron .........................................................................86 3.1.1.2. Quá trình học của mạng nơ-ron ...................................................................87 3.1.2. Mạng nơ-ron truyền thẳng một lớp ................................................................ 88 3.1.2.1. Mạng Perceptron một lớp.............................................................................88 3.1.2.2. Quá trình học mạng nơ-ron truyền thẳng một lớp .......................................89 3.1.3. Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp ............................................................. 89 3.1.3.1. Thuật toán học lan truyền ngược ................................................................89 3.1.3.2. Huấn luyện mạng theo thuật toán lan truyền ngược ....................................91 3.2. Kết hợp điều khiển mờ với mạng nơ-ron ........................................................... 92 3.2.1. Nền tảng của sự kết hợp ................................................................................. 92 3.2.2. Các mô hình kết hợp ...................................................................................... 93 3.3. Xây dựng mô hình mạng nơ-ron mờ FNN cải tiến AQM .................................. 94 3.3.1. Đề xuất bộ điều khiển mạng nơ-ron mờ FNN cải tiến AQM ........................ 94 3.3.1.1. Mô hình mạng nơ-ron mờ FNN ...................................................................94 3.3.1.2. Hoạt động của bộ điều khiển nơ-ron mờ FNN ............................................95 3.3.2. Xây dựng bộ điều khiển nơ-ron mờ FNN ...................................................... 95 3.3.2.1. Tạo nơ-ron mờ cho FNN..............................................................................95 3.3.2.2. Xây dựng mạng nơ-ron mờ FNN .................................................................96 3.3.2.3. Huấn luyện mạng nơ-ron mờ FNN ..............................................................97 vii
3.3.2.4. Chỉnh định tham số hàm thuộc của AFC .....................................................98 3.3.3. Thuật toán lan truyền ngược cải tiến IBP ...................................................... 98 3.3.3.1. Chuẩn hóa số liệu đầu vào ra .......................................................................99 3.3.3.2. Bổ sung hệ số quán tính ...............................................................................99 3.3.3.3. Điều chỉnh tốc độ học ................................................................................100 3.3.3.4. Thuật toán lan truyền ngược cải tiến..........................................................100 3.4. Xây dựng cơ chế quản lý hàng đợi tích cực FNNRED .................................... 101 3.4.1. Cài đặt cơ chế FNNRED .............................................................................. 101 3.4.2. Huấn luyện mạng FNN trong FNNRED ...................................................... 102 3.4.3. Kết quả huấn luyện của FNN trong FNNRED............................................. 102 3.5. Xây dựng cơ chế quản lý hàng đợi tích cực FNNREM ................................... 104 3.5.1. Cài đặt cơ chế FNNREM ............................................................................. 104 3.5.2. Huấn luyện mạng FNN trong FNNREM ..................................................... 105 3.5.3. Kết quả huấn luyện của FNN trong FNNREM ............................................ 105 3.6. Mô phỏng đánh giá hiệu quả của cơ chế FNNRED và FNNREM .................. 107 3.6.1. Đánh giá độ ổn định của cơ chế FNNRED và FNNREM............................ 107 3.6.1.1. Kiểm soát hàng đợi của cơ chế FNNRED và FNNREM ...........................107 3.6.1.2. Khả năng đáp ứng của cơ chế FNNRED và FNNREM .............................109 3.6.2. Đánh giá hiệu năng của cơ chế FNNRED và FNNREM ............................. 112 3.6.2.1. Đánh giá tỉ lệ mất gói tin của cơ chế FNNRED và FNNREM ..................112 3.6.2.2. Đánh giá sử dụng đường truyền của FNNRED và FNNREM ...................113 3.7. Kết luận chương ............................................................................................... 114 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................................116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .........................118 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................119 PHỤ LỤC A ............................................................................................................127 PHỤ LỤC B ............................................................................................................136 viii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải tiếng Anh Diễn giải tiếng Việt ACK Acknowledgement Bản tin báo nhận AFC Adaptive Fuzzy Controller Bộ điều khiển mờ thích nghi Additive-Increase Tăng cấp số cộng AIMD Multiplicative-Decrease giảm cấp số nhân ANN Artificial Neural Network Mạng nơ-ron nhân tạo AQM Active Queue Management Quản lý hàng đợi tích cực BLUE BLUE Cơ chế quản lý hàng đợi BLUE BP BackPropagation Lan truyền ngược CE Congestion Experienced Chỉ thị tắc nghẽn CQS Classification Queue Schedular Phân lớp - hàng đợi - lập lịch CWND Congestion Window Cửa sổ tắc nghẽn DT Drop Tail Cơ chế loại bỏ cuối hàng DVP Droping Probability Xác suất loại bỏ gói ECN Explicit Congestion Notification Thông báo tắc nghẽn rõ ràng FCRED Fuzzy Control RED Cơ chế mờ cải tiến RED FIFO First In First Out Vào trước ra trước FIS Fuzzy Inference System Hệ suy luận mờ FL Fuzzy Logic Logic mờ FLC Fuzzy Logic Controller Bộ điều khiển logic mờ FLRED FL Random Early Detection Cơ chế quản lý hàng đợi FLRED ix
Ký hiệu Diễn giải tiếng Anh Diễn giải tiếng Việt Fuzzy Logic Random Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực FLREM Exponential Marking FLREM FNN Fuzzy Neural Network Mạng nơ-ron mờ Fuzzy Neural Network Random Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực FNNREM Exponential Marking FNNREM FRED Fairness Random Early Discard Loại bỏ sớm ngẫu nhiên cân bằng FS Fuzzy system Hệ mờ FSFB Fuzzy SFB Cơ chế quản lý hàng đợi FSFB FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin FUZREM Fuzzy REM Cơ chế cải tiến REM Generalized Random Early GREEN Tránh tắc nghẽn sớm ngẫu nhiên Evasion Network Global System for Mobile GSM Mạng thông tin di động Communications IP Internet Protocol Giao thức Internet IBP Improved Back Propagation Lan truyền ngược cải tiến LAN Local Area Network Mạng cục bộ LMS Least Mean Square Trung bình bình phương nhỏ nhất MATLAB MATrix LABtory Thí nghiệm ma trận MF Membership Function Hàm thuộc MIMO Multiple-Input Multiple-Output Nhiều đầu vào và nhiều đầu ra MISO Multiple-Input Single-Output Nhiều đầu vào và một đầu ra MLP MultiLayer Perceptron Mạng truyền thẳng nhiều lớp x
Ký hiệu Diễn giải tiếng Anh Diễn giải tiếng Việt MSS Maximum Segment Size Kích thước phân đoạn tối đa NS2 Network Simulator 2 Phần mềm mô phỏng mạng NS2 PH Packet Header Phần đầu gói tin Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch PSTN Network công cộng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RED Random Early Detection Loại bỏ ngẫu nhiên sớm REM Random Exponential Marking Đánh dấu ngẫu nhiên theo hàm mũ RTT Round Trip Time Thời gian một chu trình gói tin SC Soft Computing Kỹ thuật tính toán mềm Cơ chế cân bằng ngẫu nhiên theo SFB Stochastic Fair Blue BLUE SISO Single-Input Single-Output Một đầu vào và một đầu ra SS7 Signaling System # 7 Hệ thống báo hiệu TBW Target BandWidth Băng thông tham chiếu TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải ToS Type of Service Loại dịch vụ TQL Target Queue Length Chiều dài hàng đợi tham chiếu UDP User Data Protocol Giao thức dữ liệu người dùng Universal Mobile Các hệ thống thông tin di động UMTS Telecommunications Systems toàn cầu WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây xi
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mô hình hội tụ các mạng trên nền tảng TCP/IP. ......................................9 Hình 1.2. Mô hình truyền thông trong mạng TCP/IP. ..............................................10 Hình 1.3. Khuôn dạng dữ liệu của TCP Header .......................................................11 Hình 1.4. Khuôn dạng dữ liệu của IP Header ...........................................................11 Hình 1.5. Cơ chế truyền dữ liệu của TCP .................................................................15 Hình 1.6. Cơ chế kiểm soát tắc nghẽn của TCP........................................................16 Hình 1.7. Mô hình quản lý hàng đợi tích cực ...........................................................19 Hình 1.8. Mô hình CQS tại nút mạng .......................................................................19 Hình 1.9. Cơ chế hoạt động của ECN .......................................................................22 Hình 1.10. Phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực ......................................23 Hình 1.11. Cơ chế hoạt động RED ...........................................................................25 Hình 1.12. Mô hình hoạt động của SFB ...................................................................29 Hình 2.1. Các dạng hàm thuộc thông dụng của tập mờ ............................................41 Hình 2.2. Các tham số đặc trưng của tập mờ ............................................................42 Hình 2.3. Hàm thuộc biến ngôn ngữ xác suất mất gói ..............................................45 Hình 2.4. Mô hình bộ điều khiển mờ MISO .............................................................47 Hình 2.5. Mô hình hoạt động của cơ chế FEM .........................................................50 Hình 2.6. Hàm thuộc của các biến ngôn ngữ đầu vào của FEM ...............................50 Hình 2.7. Hàm thuộc của các biến ngôn ngữ đầu ra của FEM .................................51 Hình 2.8. Mô hình hoạt động của cơ chế FUZREM .................................................52 Hình 2.9. Mô hình điều khiển mờ thích nghi AFC ...................................................55 Hình 2.10. Hàm thuộc cho biến đầu vào 𝑄𝑒(𝑡) ......................................................62 Hình 2.11. Hàm thuộc cho biến đầu vào 𝑄𝑒(𝑡 − 𝑇) ..............................................62 Hình 2.12. Mặt cong suy diễn của cơ chế FLRED ...................................................65 Hình 2.13. Minh họa tính toán đầu ra điều khiển mờ FLRED .................................66 Hình 2.14. Hàm thuộc biến đầu vào 𝑃𝑟(𝑡) ...............................................................69 Hình 2.15. Hàm thuộc biến đầu vào 𝑃𝑟(𝑡 − 𝑇) .......................................................69 xii
Hình 2.16. Mặt cong suy diễn của cơ chế FLREM ...................................................72 Hình 2.17. Mô hình mạng mô phỏng đơn máy nhận ................................................75 Hình 2.18. Kiểm soát hàng đợi của RED và FLRED ...............................................76 Hình 2.19. Kiểm soát hàng đợi của FEM và FLRED ...............................................77 Hình 2.20. Kiểm soát hàng đợi của REM và FLREM ..............................................77 Hình 2.21. Kiểm soát hàng đợi của FUZREM và FLREM ......................................78 Hình 2.22. Khả năng đáp ứng của RED và FLRED .................................................79 Hình 2.23. Khả năng đáp ứng của FEM và FLRED .................................................79 Hình 2.24. Khả năng đáp ứng của REM và FLREM ................................................80 Hình 2.25. Khả năng đáp ứng của FUZREM và FLREM ........................................80 Hình 2.26. Mô hình mạng mô phỏng đa máy nhận...................................................81 Hình 2.27. Tỉ lệ mất gói tin của các cơ chế AQM ....................................................82 Hình 2.28. Mức độ sử dụng đường truyền của các cơ chế AQM .............................83 Hình 3.1. Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp ........................................................87 Hình 3.2. Mô hình hoạt động của mạng truyền thẳng một lớp ...............................88 Hình 3.3. Lan truyền tín hiệu theo phương pháp lan truyền ngược ........................90 Hình 3.4. Mô hình hệ mờ nơ-ron ..............................................................................93 Hình 3.5. Mô hình hệ nơ-ron mờ ..............................................................................93 Hình 3.6. Mô hình mạng nơ-ron mờ FNN cải tiến AQM .........................................94 Hình 3.7. Các dạng nơ-ron mờ ..................................................................................95 Hình 3.8. Cấu trúc mạng nơ-ron mờ FNN ................................................................96 Hình 3.9. Lưu đồ thuật toán lan truyền ngược cải tiến IBP ....................................101 Hình 3.10. Mô hình huấn luyện cho FNNRED.......................................................102 Hình 3.11. Các hàm thuộc của 𝑄𝑒(𝑡) sau khi huấn luyện ......................................103 Hình 3.12. Các hàm thuộc của 𝑄𝑒(𝑡 − 𝑇) sau khi huấn luyện ...............................103 Hình 3.13. Mặt suy diễn của FNNRED sau khi huấn luyện ...................................104 Hình 3.14. Mô hình huấn luyện cho FNNREM ......................................................105 Hình 3.15. Các hàm thuộc của 𝑃𝑟(𝑡) sau khi huấn luyện ......................................106 Hình 3.16. Các hàm thuộc của 𝑃𝑟(𝑡 − 𝑇) sau khi huấn luyện ...............................106 Hình 3.17. Mặt suy diễn của FNNREM sau khi huấn luyện ..................................107 xiii
Hình 3.18. Kiểm soát hàng đợi của FEM và FNNRED ..........................................108 Hình 3.19. Kiểm soát hàng đợi của FLRED và FNNRED .....................................108 Hình 3.20. Kiểm soát hàng đợi của FURZEM và FNNREM .................................109 Hình 3.21. Kiểm soát hàng đợi của FURZEM và FNNREM .................................109 Hình 3.22. Khả năng đáp ứng của FEM và FNNRED ............................................110 Hình 3.23. Khả năng đáp ứng của FLRED và FNNRED .......................................110 Hình 3.24. Khả năng đáp ứng của FUZREM và FNNREM ...................................111 Hình 3.25. Khả năng đáp ứng của FLREM và FNNREM ......................................111 Hình 3.26. Tỉ lệ mất gói tin của các cơ chế dùng điều khiển mờ ...........................112 Hình 3.27. Mức độ sử dụng đường truyền của các cơ chế dùng điều khiển mờ ....114 xiv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các biến thể của giao thức TCP ...............................................................17 Bảng 1.2. Đánh giá hiệu năng cơ chế quản lý hàng đợi tích cực ..............................33 Bảng 1.3. Phân lớp ứng dụng cơ chế quản lý hàng đợi tích cực ...............................34 Bảng 2.1. Hệ thống luật suy diễn của cơ chế FEM ...................................................51 Bảng 2.2. Hệ thống luật suy diễn của cơ chế FUZREM ...........................................53 Bảng 2.3. Mờ hóa các biến đầu vào của FLRED ...................................................61 Bảng 2.4. Giá trị tham số các hàm thuộc của 𝑄𝑒(𝑡) ..............................................62 Bảng 2.5. Giá trị tham số các hàm thuộc của 𝑄𝑒(𝑡 − 𝑇) .......................................62 Bảng 2.6. Xác suất đánh dấu gói tin của FLRED .....................................................63 Bảng 2.7. Hệ thống chỉ số luật mờ của FLRED........................................................64 Bảng 2.8. Hệ thống luật mờ của FLRED ..................................................................64 Bảng 2.9. Mờ hóa các biến đầu vào của FLREM ...................................................68 Bảng 2.10. Giá trị tham số các hàm thuộc của Pr(𝑡) ..............................................69 Bảng 2.11. Giá trị tham số các hàm thuộc 𝑃𝑟(𝑡 − 𝑇) ............................................69 Bảng 2.12. Xác suất đánh dấu gói tin của FLREM...................................................70 Bảng 2.13. Hệ thống chỉ số luật mờ của FLREM .....................................................71 Bảng 2.14. Hệ thống luật mờ của FLREM ...............................................................71 Bảng 3.1. So sánh tính chất điều khiển mờ với mạng nơ-ron ...................................92 Bảng 3.2. Giá trị tham số các hàm thuộc của 𝑄𝑒(𝑡) sau khi huấn luyện. ...............103 Bảng 3.3. Giá trị tham số các hàm thuộc của 𝑄𝑒(𝑡 − 𝑇) sau khi huấn luyện ........104 Bảng 3.4. Giá trị tham số các hàm thuộc của 𝑃𝑟(𝑡) sau khi huấn luyện. ...............106 Bảng 3.5 Giá trị tham số các hàm thuộc của 𝑃𝑟(𝑡 − 𝑇) sau khi huấn luyện. .........106 xv
MỞ ĐẦU Internet là một hệ thống kết nối mạng toàn cầu đảm bảo liên thông giữa các hệ thống máy tính và thiết bị trên diện rộng. Internet ngày càng phát triển không chỉ về số lượng kết nối mà còn sự đa dạng của các lớp ứng dụng. Do đó, vấn đề xảy ra tắc nghẽn trên Internet là không thể tránh khỏi. Vì vậy, để đảm bảo thông suốt đường truyền, kiểm soát tắc nghẽn tại nút mạng đóng một vai trò rất quan trọng cho Internet hoạt động hiệu quả và tin cậy đối với người sử dụng. Phần mở đầu của luận án đi từ tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về kiểm soát tắc nghẽn tại nút mạng nhằm thể hiện tính khoa học và cấp thiết của luận án, từ đó đưa ra các động lực nghiên cứu và các mục tiêu nghiên cứu. Tiếp theo là đề xuất phương pháp nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu, nhằm thực hiện các mục tiêu nghiên cứu. Sau cùng là trình bày bố cục và các đóng góp của luận án. 1. Tính khoa học và cấp thiết của luận án Thông thường có hai phương án để kiểm soát tránh tắc nghẽn là tăng hiệu suất các thiết bị phần cứng và dùng kỹ thuật phần mềm. Việc tăng hiệu suất các thiết bị là cần thiết, nhưng lại khá tốn kém, khó đồng bộ và hiệu quả chưa cao. Ngược lại, dùng kỹ thuật phần mềm để kiểm soát tắc nghẽn đã đem lại hiệu quả rất lớn. Trong kỹ thuật này có hai phương pháp được quan tâm và phát triển, đó là: cải tiến các giao thức điều khiển truyền thông và nâng cao các kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực (AQM: Active Queue Management) tại các nút mạng [17][28][55]. Việc tăng hiệu năng của giao thức TCP thông qua các biến thể đã triển khai trên Internet và đã đem lại hiệu quả rất lớn. Tuy nhiên, do sự đa chuẩn của các loại mạng, sự phong phú các thiết bị kết nối và sự phức tạp các ứng dụng truyền thông nên điều quan trọng là cần có những cơ chế quản lý hàng đợi tích cực tại các nút mạng để hỗ trợ điều tiết lưu thông trên mạng, nhằm tránh và giải quyết tắc nghẽn [7][10][51]. Quản lý hàng đợi tích cực hoạt động tại các nút mạng nhằm kiểm soát số lượng các gói dữ liệu trong hàng đợi của nút mạng, bằng cách chủ động loại bỏ gói tin đến khi hàng đợi đầy hay thông báo tắc nghẽn khi mạng còn trong thời kỳ “phôi thai” của tắc nghẽn để điều tiết lưu thông trên mạng. Việc ổn định chiều dài của hàng đợi sẽ 1
làm cho một số thông số hiệu năng của mạng TCP/IP như: tỷ lệ mất gói, hiệu suất sử dụng đường truyền, trễ trung bình và biến thiên dao động độ trễ trong một phạm vi hợp lý. Điều này sẽ vừa không gây sự quá tải đối với thiết bị mạng, vừa đảm bảo không gây tắc nghẽn trên mạng, vừa tạo điều kiện cung cấp và duy trì một cách tốt nhất chất lượng dịch vụ mạng [7][39][62]. Hiện có ba hướng tiếp cận để giải quyết bài toán quản lý hàng đợi tích cực, bao gồm: Quản lý hàng đợi dựa trên chiều dài hàng đợi (tiêu biểu là cơ chế RED) [22] [25][67], quản lý hàng đợi dựa trên lưu lượng gói tin đến - còn gọi là tải nạp (đại diện là cơ chế BLUE) [18][73] và quản lý hàng đợi dựa trên sự kết hợp cả chiều dài hàng đợi và lưu lượng gói tin đến (điển hình là cơ chế REM) [11][57][65]. Trong những năm gần đây, nhằm nâng cao hiệu năng của các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực, ngoài ba cơ chế tiêu biểu kể trên, đã có rất nhiều cơ chế khác được công bố. Các công trình này xoay quanh việc cải tiến các cơ chế RED, BLUE và REM [26][52]. Các kết quả thu được đã phần nào đáp ứng được yêu cầu của bài toán quản lý hàng đợi tích cực tại các nút mạng [54][66]. Tuy nhiên, các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực này vẫn còn một số nhược điểm cố hữu, như: sử dụng các hàm tuyến tính để xác định mức độ tắc nghẽn và tính xác suất đánh dấu/cho rơi gói tin; và khó có thể cài đặt các tham số cho các cơ chế để phù hợp với từng môi trường mạng khác nhau [39][59][76]. Tính toán mềm (SC: Soft Computing) bao gồm các công cụ: logic mờ, mạng nơ-ron, lập luận xác suất, tính toán tiến hóa. Mục tiêu của tính toán mềm là giải quyết các bài toán xấp xỉ, gần đúng đang là một xu hướng mới, cho phép một bài toán cụ thể sẽ được khai thác với mục tiêu sao cho hệ thống dễ thiết kế, chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo tính đúng đắn và thông minh trong quá trình thực hiện với một ngưỡng sai số chấp nhận. Các ứng dụng thành công của tính toán mềm cho thấy tính toán mềm ngày càng phát triển mạnh và đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau của khoa học và kỹ thuật [36][45]. Trong kỹ thuật tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào các hàm thuộc và hệ luật mờ. Do đó, logic mờ được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các lĩnh vực điều khiển tự động [5][8]. Bên cạnh logic mờ, với thế mạnh về cập nhật tri thức thông qua quá trình huấn luyện nên mạng nơ-ron cũng được sử 2
dụng rộng rãi và phổ biến, nhất là trong lĩnh vực khoa học máy tính [53][68]. Vì những tính ưu việt của tính toán mềm mà trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã sử dụng công cụ tính toán mềm để cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực tại nút mạng [23][50][64][78]. Tuy nhiên, cần có sự kết hợp các công cụ tính toán mềm để phát huy ưu điểm và giảm trừ khuyết điểm cho các công cụ khi xây dựng các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực là rất quan trọng, để kiểm soát tắc nghẽn tốt nhằm đảm bảo chất lượng của các dịch vụ mạng và sự an toàn của các thiết bị trong hệ thống mạng. Vì vậy, các cơ chế AQM vẫn cần được cải tiến sao cho vừa đơn giản khi thực hiện, vừa điều khiển linh hoạt để thích nghi môi trường mạng, vừa đảm bảo tính công bằng trong việc nhận hay loại bỏ các gói tin đối với các luồng lưu lượng đến, vừa duy trì độ dài hàng đợi trung bình trong điều kiện tình trạng của mạng luôn thay đổi. Do đó, nghiên cứu cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực bằng cách kết hợp các kỹ thuật tính toán mềm với các phương pháp điều khiển hiện đại nhằm bổ sung khả năng xử lý, khả năng ra quyết định thông minh cho hệ thống quản lý hàng đợi tích cực tại nút mạng là rất cần thiết và cấp bách. 2. Động lực nghiên cứu Như đã trình bày ở trên, hiện tại đã có nhiều công trình nghiên cứu cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi tại nút mạng. Tuy nhiên các cơ chế này còn tồn tại các vấn đề sau cần được cải tiến để cho các cơ chế hoạt động hiệu quả hơn:  Thứ nhất, độ tuyến tính của các hàm kiểm soát trong các cơ chế không thể nắm bắt để điều khiển hiệu quả tính phi tuyến của mạng và sự phụ thuộc tĩnh của các cơ chế vào các tham số nên không thể thích nghi tình trạng mạng luôn thay đổi. Vấn đề này được luận án sử dụng phương pháp điều khiển mờ để giải quyết.  Thứ hai, hầu hết các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện có chưa xét hết ảnh hưởng của các yếu tố trong mạng đến quá trình kiểm soát tắc nghẽn nên các cơ chế chưa thể điều khiển thích nghi tốt với môi trường mạng. Vì vậy, luận án sử dụng kỹ thuật điều khiển mờ thích nghi để khắc phục tồn tại này.  Thứ ba, một số cơ chế quản lý hàng đợi tích cực gần đây có sử dụng lập luận mờ để tham gia vào quản lý hàng đợi nhưng hệ điều khiển mờ của các cơ chế này phụ thuộc rất nhiều vào chuyên gia và tham số của nó chưa cập nhật để đáp ứng với từng 3