Cơ sở truyền số liệu. Cơ sở mạng thông tin

Trang 1

Cơ sở mạng thông tin

Trang 2

• Lý thuyết xếp hàng và ứng dụng trong mạng viễn

thông

• Kỹ thuật định tuyến và các giao thức định tuyến trong mạng viễn thông

• Điều khiển luồng và kiểm soát tắc nghẽn trong mạng

• Kỹ thuật mô phỏng mạng và hệ thống viễn thông

Nội dung môn học

Trang 3

Yêu cầu đối với sinh viên

• Nhìn lại lý thuyết xác suất

• Có khả năng làm việc được với hệ điều hành và phần mềm mô phỏng mã nguồn mở

• Dự học theo quy định

• Thực hiện bài tập lớn được giao

• Làm các bài thí nghiệm theo yêu cầu

• Trả lời câu hỏi trên lớp có ảnh hưởng đến kết quả học tập

Trang 4

Yêu cầu đối với sinh viên

• Hợp tác xây dựng bài giảng, trả lời câu hỏi kỹ thuật và trao đổi bình luận

• Sinh viên trả lời tốt, tích cực tương tác sẽ được ghi nhớ

để cộng điểm thi và chiếu cố nếu phù hợp

Trang 5

Bài giảng

• Trang web môn học:

data-net

Trang 6

https://sites.google.com/site/fetphamvantien/home/fund-Tài liệu tham khảo

[ 1] John S Carson II, Barry L Nelson, Discrete-Event

[ 2] Richard Blum, Network Performance Open Source Toolkit

Publishing 2003

[ 3] Raj Jain, The Art of Computer Systems Performance

Analysis: Techniques for Experimental Design, Measurement,

Trang 7

Tài liệu tham khảo

[4] Kannan Varadhan, Kevin Fall, NS Manual,

Trang 8

4] Kannan Varadhan, Kevin Fall, NS Manual,

Trang 9

[ 14] Donald Gross, Carl M Harris, Fundamentals of

Trang 10

Đánh giá kết quả

• Bài tập lớn: 33% (điều kiện bắt buộc để được thi cuối kỳ)

• Thi cuối kỳ: 66%

Trang 11

Chương 1 Các khái niệm cơ bản

Cơ sở mạng thông tin

Trang 12

• Khi phân tích hay tổng hợp một hệ thống thông tin, luôn

phải khảo sát các đặc tính (characteristics) và hiệu năng hoạt động (performance)

• Characteristics?

• Performance?

• Ví dụ 1: Một nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động GSM muốn mở rộng vùng phủ sóng của mình Với các tham số đầu vào cho trước bao gồm:

– Lưu lượng đầu vào λ , được tính bằng số yêu cầu kết nối trong một đơn vị thời gian Tham số này được khảo sát và đo đạc thực tế tại vùng cần mở rộng.

– Thời gian trung bình của một cuộc gọi di động µ Tham

số này đã biết trước dựa trên các dữ liệu thống kê của nhà cung cấp dịch vụ.

Tổng quan

Trang 13

– Tải tối đa u của một trạm gốc (base

station), chính là số cuộc gọi tối đa

mà trạm gốc có thể cho phép tại

một thời điểm.

– Yêu cầu xác suất từ chối dịch vụ

tối đa p Đây là xác suất một yêu

cầu kết nối bị từ chối do trạm gốc không đủ tài nguyên cung cấp cho cuộc gọi đó.

• Từ các yêu cầu đầu vào, nhà cung

cấp cần phải tính toán có bao nhiêu trạm gốc cần phải lắp đặt mới tại

vùng đó, để xác suất từ chối dịch vụ

nhỏ hơn p

Tổng quan

Trang 14

• Ví dụ 2: Mạng Ethernet có N máy tính, tổng lưu lượng

đầu vào đo được là λ (Mbit/s) Kênh truyền có dung

lượng là C (Mbit/s) Phải tính toán hiệu suất hoạt động

của kênh truyền (tính bằng % của lưu lượng/dung

lượng C), trễ trung bình (tính bằng s) của một gói tin

khi được truyền từ nguồn tới đích.

Tổng quan

Trang 15

• Thực tế, quá trình phân tích một hệ thống thực thông thường

tương đối khó khăn và tốn kém Để khẳng định tính chất của

một hệ thống về hiệu năng hoạt động, tính kinh tế v.v., thông

thường người ta thường sử dụng các mô hình để miêu tả các hệ thống đó.

• Mô hình (model) là hình ảnh biểu diễn hệ thống thực một cách đơn giản hơn, có bảo toàn một số thuộc tính kỹ thuật để nghiên cứu, phân tích

– miêu tả các hoạt động và trạng thái của hệ thống thực

– trú trọng tới điều kiện cho trước: điều kiện khởi đầu và điều kiện bờ

• Mục đích của việc mô hình hóa là đánh giá đặc tính, từ đó cải thiện chất lượng hoạt động của một hệ thống Để các thí nghiệm với mô hình cho ra kết quả chính xác và đáng tin cậy, các dữ

liệu đầu vào của mô hình phải phù hợp với hệ thống thực tế.

Tổng quan

Trang 16

• Mô hình hóa (modeling):

– là quá trình trừu tượng hóa và đơn giản hóa một hệ thống thực

– bỏ qua các yếu tố không quan trọng và chỉ tập trung vào một tập hợp hữu hạn các thông số đáng chú ý được sử dụng để miêu tả hệ thống

– cần xác định các yếu tố có thể bỏ qua và các thông số bắt buộc phải được xem xét Độ chính xác của một mô hình phụ thuộc rất nhiều vào bước này

• Có hai phương pháp mô hình hóa là mô hình giải tích và mô

hình mô phỏng.

• Phân tích (analysis): Được hiểu là quá trình tìm hiểu, khám phá các đặc tính, chức năng của hệ thống

– đáp ứng của một hệ thống với các thông số đầu vào cho trước

– đo lường, khảo sát các tham số kỹ thuật

Các bước mô hình hóa

Trang 17

• Đánh giá và so sánh (evaluation and comparison):

Đặc tính của một hệ thống với các thông số đầu vào khác nhau sẽ được kiểm tra và so sánh, thông qua đó

có thể đánh giá tính chính xác của mô hình

• Đưa kết quả đánh giá về hệ thống thực: Các kết quả thu được từ mô hình được đưa trở về phục vụ cho hệ thống thực.

Mô hình hóa

Trang 18

Các bước mô hình hóa

Trang 19

• Các tham số liên quan đến thời gian:

– Thời gian hệ thống thực hiện một yêu cầu

– Thời gian đáp ứng của hệ thống.

– Thời gian một yêu cầu lưu lại trong hệ thống v.v.

• Các tham số liên quan đến không gian:

– Độ lớn của hàng đợi hệ thống (độ lớn bộ đệm v.v.) – Yêu cầu về bộ nhớ cho một chương trình v.v.

• Các tham số khác:

– Thông lượng

– Giá thành v.v.

Các tham số đánh giá

Trang 20

• Trong quá trình mô hình hóa người ta chỉ giới hạn xem xét một số thông số quan trọng của hệ thống Vì vậy kết luận

về đặc tính hoạt động của một hệ thống nào đó bao giờ

Các tiêu chuẩn đánh giá

Trang 21

• Tham số mô hình:

– Tham số lưu lượng của yêu cầu đến một hệ thống – Tham số đặc trưng cho thời gian phục vụ một yêu cầu.

– Số trạm phục vụ các yêu cầu

• Quy tắc phục vụ:

– FIFO, LIFO

– Hàng đợi có ưu tiên

Trang 22

• Các tiêu chuẩn đánh giá:

– Thời gian lưu lại hệ thống trung bình của một yêu cầu.

– Thời gian chờ đợi của một yêu cầu trong hàng đợi – Thông lượng của hệ thống.

– Tải của hệ thống.

Trang 23

• Phương pháp phân tích toán học (mathematical

analysis) thực hiện các bước sau:

Trang 24

• Phương pháp xấp xỉ (approximation method)

– Trong nhiều trường hợp, phương pháp phân tích toán học quá phức tạp để có thể mô tả một hệ thống Phương pháp xấp xỉ có thể áp dụng trong những trường hợp này

Trang 25

• Phương pháp mô phỏng (simulative

techniques) miêu tả một quá trình xảy ra

trong thực tế thông qua các chương trình

máy tính Mô phỏng sử dụng cở sở xác suất thống kê để đánh giá đặc tính hoạt động của một hệ thống từ các kết quả thu được, thí dụ như giá trị kỳ vọng, phương sai v.v.

• Ưu điểm của mô phỏng là việc xây dựng,

phân tích và đánh giá dễ dàng hơn so với

phương pháp toán học Trong nhiều trường hợp, mô phỏng là phương pháp khả thi nhất

về mặt thời gian và tài chính

Phương pháp mô phỏng

Trang 26

• Nhược điểm của phương pháp mô phỏng:

– Thời gian chạy chương trình khá lớn nếu mô phỏng các hệ thống phức tạp Do đó thông thường các hệ thống thực cũng phải được đơn giản hóa đi khá

nhiều khi chuyển sang mô hình mô phỏng

– Độ chính xác kết quả của mô hình mô phỏng tương đối khó kiểm chứng Một trong các phương pháp để kiểm tra độ chính xác của mô hình chạy chương

trình mô phỏng với các tham số đầu vào mà giá trị đầu ra đã được biết trước, sau đó so sánh các kết quả mô phỏng so với kết quả đo đạc được trong

thực tế

Phương pháp mô phỏng

Trang 27

Kết quả mô phỏng

Source: ACM, by X Zhu et al

Trang 28

Kết quả mô phỏng

Source: IEEE, by J Paek et al

Trang 29

• Đo đạc được sử dụng để đo các thông số cần thí

nghiệm trong các hệ thống thực (như thông lượng,

băng thông, trễ, tuyến đường mà một gói IP đi qua

.v.v.).

• Đo đạc được sử dụng để bổ trợ cho phương pháp

phân tích toán học và phương pháp mô phỏng; các

tham số đầu vào sử dụng trong các mô hình toán học

và mô phỏng đều được đo đạc trong thực tế Mặt

khác, đo đạc cũng được sử dụng để kiểm tra độ chính xác của một mô hình so với hệ thống thực tế.

• Các công cụ đo đạc hay được sử dụng trong thực tế

bao gồm: Ethereal, tcpdump, net-snmp, netperf, dbs v.v

Phương pháp đo đạc

Trang 30

• Phương pháp này kết hợp cả phương pháp phân tích toán học và phương pháp mô phỏng ở trên Trong

phương pháp này, một hệ thống sẽ được phân tách thành các khối chức năng Đối với từng khối, người ta

có thể sử dụng phương pháp mô phỏng hoặc phân tích toán học.

Phương pháp kết hợp

(hybrid)

Trang 31

Page: 1

Đạ i học Bách Khoa Khoa Điện tử-Viễn thông

2014 © Copyright by Pham Van Tien

• Trong các hệ thống dịch vụ, chủ thể phục vụ (server) lần

lượt phục vụ các đối tượng sử dụng dịch vụ Số lượng chủ

thể có thể nhiều hơn 1

• Ví dụ:

– Các hệ thống điện thoại: khi số lượng lớn khách

hàng quay số để kết nối đến một trong những đường

ra hữu hạn của tổng đài.

– Trong mạng máy tính: khi mà gói tin được chuyển từ nguồn tới đích và đi qua một số lượng các nút trung gian Hệ thống hàng đợi xuất hiện tại mỗi nút ở quá

trình lưu tạm thông tin tại bộ đệm.

Tổng quan

Trang 32

Page: 2

• Mạng viễn thông

• Kiểm soát lưu lượng giao thông

• Đánh giá hiệu năng hệ thống máy tính

• Y tế và chăm sóc sức khỏe

• Không lưu, bán vé

• Dây truyền sản xuất

Ứng dụng

Trang 33

Page: 3

Lý thuyết xếp hàng và ứng dụng

Trang 34

Page: 4

• Monitoring queue

Minh họa

Trang 35

Page: 5

Tổng quan

Trang 36

Page: 6

Tổng quan

Trang 37

Page: 7

Mạng hàng đợi mở

Trang 38

Page: 8

Mạng hàng đợi đóng

Trang 39

Page: 9

Omnet++

Minh họa

Trang 40

Page: 10

• Có thể xem xét mạng viễn thông như một tập hợp

các hàng đợi

– Cấu trúc dữ liệu theo kiểu FIFO

• Lý thuyết xếp hàng sẽ giúp tính toán các tham số

như:

– Chiều dài trung bình

– Thời gian đợi trung bình

– Xác xuất một hàng đợi có chiều dài nào đó

– Xác suất mất gói

Xếp hàng trong mạng viễn

thông

Trang 41

Page: 11

• Hệ thống có bao nhiêu server? Tốc độ phục vụ của các server này ?

• Có bao nhiêu vị trí đợi trong hàng đợi?

• Có bất kỳ quy tắc nội bộ đặc biệt nào không (yêu cầu

dịch vụ, mức độ ưu tiên, hệ thống còn rỗi không)?

• Miêu tả của tiến trình đến (phân bố khoảng thời gian

Trang 42

Page: 12

Trang 43

Page: 13

Trang 44

Page: 14

• Thời gian xếp hàng (trễ hàng đợi)

• Tổng trễ (bao gồm trễ hàng đợi và trễ phục vụ )

• Số lượng khách hàng trong hàng đợi

• Số lượng khách hàng trong hệ thống (gồm khách hàng chờ và khách hàng đang được phục vụ )

• Xác suất nghẽn mạng (khi kích thước bộ đệm hữu hạn)

• Xác suất chờ để phục vụ

Kết quả phân tích (về phía khách hàng)

Trang 45

Page: 15

Trang 46

Page: 16

Phân tích hàng đợi

λ - tốc độ đến trung bình , thời gian đến trung bình -1/λ

µ - tốc độ phục vụ trung bình, thời gian phục vụ trung bình 1/µ

Với kích thước của bộ đệm là vô hạn, quy tắc phục vụ là FCFS

Trang 47

Page: 17

t

Trang 48

Page: 18

• Sự kiện A: có 1 sự đến trong ∆t

• Sự kiện B: không có sự đến nào trong ∆t

• Sự kiện C: có nhiều hơn 1 sự đến trong ∆t

• Giả sử rằng ∆t →0 Như vậy ta sẽ có:

Trang 49

Page: 19

• Định nghĩa luật phân bố Poisson *

• Đồng thời, khoảng thời gian đến (được tính giữa hai sự

đến liên tiếp) tuân theo luật phân bố mũ * với tham số λ

λ

e

= n)

= P(N

n λ

0,1,2,

−

(*) Trong MS Excel có hàm POISSON và hàm EXPONDIST

Trang 50

Page: 20

Trang 51

Page: 21

• Sự kiện A: có 1 sự kiện đi trong ∆t

• Sự kiện B: không có sự kiện đi nào trong ∆t

• Sự kiện C: có nhiều hơn 1 sự kiện đi trong ∆t

• Giả sử rằng ∆t →0 Như vậy ta sẽ có:

Pr{A}= µ ∆t

Pr{B}= 1- µ ∆t

• D là sự kiện của 1 hoặc nhiều sự đến AND với sự kiện

của 1 hoặc nhiều sự đi trong khoảng ∆t Giả sử Pr{D}=0

Trang 52

Page: 22

Trang 53

Page: 23

+ (t) λp

+ (t) µ)p

+ (λ

= dt

(t) dp

= N (t), µp

+ (t) λp

= dt

(t) dp

1 + N 1

N N

N

1 0

0

−

Trang 54

Page: 24

Trang 55

Page: 25

p

i

Trang 56

Page: 26

Số lượng khách hàng trung bình

• Xét trong một khoảng thời gian đủ lớn, số lượng khách

hàng lưu trong hệ thống được tính theo công thức:

ρ

= ρ) (

i ρ

= ip

=

E[N]

= i

i

= i

* Để chứng minh, tách thành 2 tổng rồi thay thế i+1 sang i để rút gọn

Trang 57

Page: 27

ρ

= ) p

( ρ

ρ

= p ip

= )p (i

= ]

E[N

= i

i

= i

i

= i

i Q

1 1

1

2

0 1

1 1

* Tổng xuất phát từ i = 1, nghĩa là công thức chỉ đúng khi có ít nhất một khách hàng trong hệ thống

Trang 58

Page: 28

Thời gian trung bình

• Thời gian một khách hàng lưu lại trong hệ thống bao

gồm:

•Thời gian chờ xếp hàng

•Thời gian phục vụ

Trang 59

Page: 29

• Giả thiết:

•Hệ thống ở trạng thái ổn định tức

•Quy tắc phục vụ là FCFS

Trang 60

Page: 30

• Tổng thời gian lưu trong hệ thống:

Trang 61

Page: 31

• Tổng thời chờ trong hàng đợi:

Trang 62

Page: 32

Xác suất để khách hàng phải đợi

• Sự kiện một khách hàng đến phải đợi chính là khi trong

hệ thống có ít nhất 1 khách hàng:

• Đây cũng chính là xác suất hệ thống ở trạng thái bận P busy

P wait = 1 – p 0 = ρ

Trang 63

Page: 33

Tiến trình điểm và tính chất Markov

• Tính dừng (stationary-time) Diễn tiến của các sự kiện trong một

khoảng thời gian không phụ thuộc vào thời điểm bắt đầu quan sát Xác suất mà k cuộc gọi đến trong khoảng thời gian [t1, t1+t2] là

độc lập với t1, nghĩa là với mọi t, k ta có:

• Tính độc lập (independence) hay còn gọi là tính không nhớ Trạng thái tiếp theo chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại, nhưng độc lập

với việc nó đã có được như thế nào Đây chính là đặc tính của tiến trình Markov

p { N t1+ t2 − N t1 = k } = p { N t1+ t2+ t − N t1+ t = k }

p { N t2 − N t1 = k N t1 − N t0 = n } = p { N t2 − N t1 = k }

Tiêu đề	Cơ sở truyền số liệu. Cơ sở mạng thông tin
Trường học	Trường Đại học Bưu Chính Viễn Thông
Chuyên ngành	Mạng Thông Tin
Thể loại	Giáo trình môn học
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	116
Dung lượng	1,68 MB