Tiến Sĩ Nghiên cứu cải tiến cơ chế điều khiển tại các nút mạng

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
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 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 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 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 2.6.3.2. Đánh giá tỉ lệ mất gói tin của FLRED và FLREM 82
2.6.3.3. Đánh giá mức độ sử dụng đường truyền của 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 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 FNNRED và FNNREM 107
3.6.1. Đánh giá độ ổn định của FNNRED và FNNREM . 107
3.6.1.1. Kiểm soát hàng đợi của FNNRED và FNNREM 107
3.6.1.2. Khả năng đáp ứng của FNNRED và FNNREM 109
3.6.2. Đánh giá hiệu năng của FNNRED và FNNREM . 112
3.6.2.1. Đánh giá tỉ lệ mất gói tin của 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
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 của phần mở đầu là đề xuất phương pháp nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu,
nhằm thực hiện các mục tiêu nghiên cứu. Sau cùng của phần mở đầu 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
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 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) [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) [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 [18][26][54]. Các kết quả
thu được đã phần nào đáp ứng được yêu cầu của bài toán quản lý hàng đợi tích cực
[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, giá thành 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 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][32][50][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 cần thiết. Vì vậy, các cơ chế này vẫn
cần được cải tiến sao cho vừa đơn giản khi thực hiện, vừa điều khiển linh hoạt, vừa
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
điều kiện mạng khác nhau. Do đó, luận án áp dụng điều khiển mờ tối ưu bằng cách
huấn luyện hệ thống, cho hệ thống học theo môi trường mạng thay đổi để các cơ chế
hoạt động hiệu quả hơn.
Do đó, yêu cầu cơ chế quản lý hàng đợi tại nút phải có thiết kế đủ mạnh và tổng
quát để nắm bắt đầy đủ các thuộc tính quan trọng của sự biến thiên trong mạng và có
phương pháp điều khiển thông minh nhằm kiểm soát tắc nghẽn tốt hơn trong mạng
phi tuyến luôn biến động là bài toán lớn trong mạng TCP/IP.
Kỹ thuật tính toán mềm là công cụ thể hiện tri thức, nó khai thác khả năng đặc
biệt trong tư duy của con người khi giải quyết hiệu quả các vấn đề trong những môi
trường không chắc chắn và không chính xác [36]. Vì vậy, kỹ thuật tính toán mềm là
giải pháp thích hợp để cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi đáp ứng các yêu cầu trên.
Trong kỹ thuật tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ gần gũi con người,
thể hiện được những tư duy và kinh nghiệm thực tiễn của con người. Thông qua điều
khiển mờ, hệ thống có thể nắm bắt những biến đổi phi tuyến và động học của mạng
[45][66]. Vì vậy, luận án chọn logic mờ làm thành phần cốt lõi để cải tiến các cơ chế
quản lý hàng đợi tích cực. Tuy nhiên, để bộ điều khiển mờ hoạt động hiệu quả hơn
thì cần phải có bộ tham số tốt hơn cho nó. Do vậy, luận án chọn công cụ thứ hai của
kỹ thuật tính toán mềm là mạng nơ-ron, nhờ quá trình huấn luyện của mạng nơ-ron
mà điều khiển mờ có được bộ tham số tốt hơn.