ứng dụng phương pháp giảm bậc mô hình trong xây dựng cấu trúc mạng quản lý viễn thông

Khi kích thước hàng đợi trung bình vượt quá một ngưỡng nhất định nhưng vẫn còn ít hơn khả năng xử lý của hàng đợi, những giải thuật quản lý hàng đợi tích cực xem xét sự tắc nghẽn trên mố

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC MÔ HÌNH

TRONG XÂY DỰNG CẤU TRÚC MẠNG

QUẢN LÝ VIỄN THÔNG

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số:

Học viên: NGUYỄN ANH TUẤN

Người HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG

THÁI NGUYÊN, 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC MÔ HÌNH

TRONG XÂY DỰNG CẤU TRÚC MẠNG

QUẢN LÝ VIỄN THÔNG

Học viên: NGUYỄN ANH TUẤN

Nguyễn Anh Tuấn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn

là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ các phần tham khảo đã đƣợc nêu rõ trong Luận văn.

Tác giả Nguyễn Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – PGS.TS Nguyễn Hữu Công, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Thạc sỹ Đào Huy Du và các thầy cô trong khoa Điện tử viễn thông phòng Đào tạo, Khoa Sau đại học - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận văn này

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Tác giả

Nguyễn Anh Tuấn

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Danh mục các bảng biểu

Danh mục các hình vẽ

PHẦN MỞ ĐẦU

3 Đối tượng, mục đích, phương pháp và nội dung nghiên cứu 2

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI 3

1.2 Quá trình truyền dữ liệu trên mạng và vấn đề tắc nghẽn 3

1.2.2 Nghẽn mạng và các nguyên nhân gây nghẽn 7

1.2.3 Cơ chế điều khiển luồng để tránh tắc nghẽn 9

1.3.1 Khái niệm quản lý hàng đợi tích cực AQM 8

1.3.2 Sự cần thiết phải có quản lý hàng đợi tích cực 9

Chương 2:

CÁC PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI 11

2.2.1 Khái niệm chung

2.2.2 Sự đánh dấu trong IP header

11

12

2.2.3 Sự đánh dấu trong TCP header 13

2.4 Cơ chế huỷ bỏ sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED 19

3.3.4 Phân tích tính điều khiển đƣợc và tính quan sát đƣợc 36

3.3.4.1 Sự liên quan giữa mô hình (F, G, C) và thành phần của eAtB,

3.3.4.5 Các tính chất của ổn định tiệm cận, mô hình cân bằng nội 44

3.6 Một số ví dụ áp dụng giảm bậc mô hình theo cân bằng nội 69

CHƯƠNG 4:

ỨNG DỤNG GIẢM BẬC MÔ HÌNH CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ

HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM) TRONG VIỄN THÔNG

4.3 Ứng dụng giảm bậc mô hình cho bài toán quản lý hàng đợi tích cực

4.3.2 Giảm bậc đối tượng theo phương pháp cân bằng nội 84

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

2 2.2 Các thông số mặc định của WRED cho các giá trị DSCP

Tham số của các hệ giảm bậc trong mô hình không gian trạng thái và mô hình hàm truyền của các hệ giảm bậc 71

4 3.2 Tham số của các hệ giảm bậc trong mô hình không gian

trạng thái và mô hình hàm truyền của các hệ giảm bậc 76

Mô hình không gian trạng thái và mô hình hàm truyền của

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

7 2.4 Cấu trúc 2 trường code field và Reserved field của TCP heade 14

8 2.5 Mô hình quản lý hàng đợi dùng thuật toán RED 16

14 3.3 Hệ thống khi đưa vào tín hiệu thử x(0) = 0 29

17 3.6 Phân chia mô hình hệ thống thành hệ con trội và hệ con yếu 48

28 4.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển AQM 82

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Mạng viễn thông được coi là cơ sở hạ tầng truyền thông của hiện tại và tương lai, cho phép tích hợp tất cả các dịch vụ lên trên nền một hệ thống phương tiện truyền thông duy nhất Một trong các vấn đề được quan tâm nghiên cứu hiện nay là việc xây dựng nên phương pháp để giải quyết các bài toán điều khiển lưu lượng thông minh trên mạng viễn thông hiện tại Nhằm giải quyết được vấn đề tránh tắc nghẽn và tối ưu hoá thời gian truyền nhận các gói dữ liệu thông qua các router trên mạng

Quản lý hàng đợi nút lõi trên mạng lõi là các dòng lưu lượng tổ hợp Tại nút lõi, tốc độ dòng lưu lượng tổ hợp đến nó phải được ước lượng để làm cơ sở đưa ra các quyết định điều khiển Trễ truyền làm giảm độ chính xác của việc tính toán ước lượng tốc độ lưu lượng, thậm chí có thể làm cho thuật toán điều khiển trở nên mất

ổn định Việc ước lượng lưu lượng được thực hiện dựa trên các thông tin giám sát được cũng như các số liệu quá khứ và các kết quả dự báo trước đó Thuật toán điều khiển sẽ duy trì giá trị độ dài xếp hàng tại bộ đệm xung quanh giá trị cân bằng mong muốn

Việc ứng dụng phương trình trạng thái mô tả các đặc trưng của phần tử đại diện trong mạng viễn thông hiện đại dưới dạng các hệ thống có động học cần được quản lý, điều khiển và hệ động học phải đưa ra tín hiệu điều khiển Hiển nhiên chất lượng điều khiển, vận hành của các phần tử mạng càng cao khi mô hình toán học có khả năng mô tả càng chính xác các động học thực tế xảy ra trong hệ thống Nhưng

để đáp ứng đòi hỏi đó kết quả của các quá trình mô phỏng là các mô hình toán học phức tạp có bậc rất cao, gây nhiều phiền phức trong khi nắm bắt về hệ thống cũng như khó khăn nhằm thỏa mãn tính hội tụ, nhu cầu theo thời gian thực,

Để điều khiển hệ thống theo thời gian thực thì chúng ta cần phải tìm cách tăng tốc độ tính toán của hệ điều khiển

Với các lý do trên đề tài đề xuất việc xây dựng cấu trúc TMN nhằm quản lý các hàng đợi mạng động học xảy ra trên mạng viễn thông Từ đó tìm giải phảp để

đơn giản hóa cấu trúc TMN cụ thể là sử dụng phương pháp giảm bậc mô hình, đồng

thời nghiên cứu ảnh hưởng của TMN đối với hiệu năng và chất lượng dịch vụ của mạng viễn thông

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích của luận văn là nghiên cứu và ứng dụng phương pháp giảm bậc

mô hình đối với bài toán quản lý lưu lượng mạng để xây dựng cấu trúc mạng TMN theo góc độ lý thuyết hệ thống Đồng thời từ cấu trúc TMN xây dựng đánh giá hiệu năng và chất lượng dịch vụ của mạng viễn thông

3 Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá tổng quát về các phương pháp giảm bậc mô hình

- Nghiên cứu giảm bậc mô hình theo phương pháp cân bằng nội

- Bài toán quản lý hàng đơi AQM trong TMN

- Áp dụng phương pháp giảm bậc mô hình theo phương pháp cân bằng nội vào bài toán quản lý hàng đợi tại các nút mạng trong TMN

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI

1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, với sự bùng nổ và phát triển nhanh chóng của mạng Internet như hiện nay, hàng triệu chiếc máy tính trên thế giới đã có thể kết nối với nhau để chia sẻ tài nguyên lẫn nhau Ở một mức độ khác, Internet bao gồm nhiều máy tính chuyên dụng được gọi là các router được sử dụng làm cầu nối trung gian chuyển tải dữ liệu giữa các hệ thống với nhau Và những router này được kết nối với nhau bởi các mối liên kết truyền thông Trong một mạng máy tính lớn như vậy, nhiều hệ thống

có thể đang sử dụng mạng cùng một lúc Và hiện tượng quá tải hay tắc nghẽn mạng xuất hiện khi những hệ thống này đồng thời truyền dữ liệu nhiều hơn mức mà các chương chình chuyển vận có thể thực hiện được Để giải quyết vấn đề này, người ta phải sử dụng những giải thuật phát hiện và điều khiển sự tắc nghẽn trong mạng Việc sử dụng các cơ chế điều khiển tắc nghẽn sẽ giúp các hệ thống cùng chia sẻ cơ

sở hạ tầng mạng tốt hơn

1.2 Quá trình truyền dữ liệu trên mạng và vấn đề tắc nghẽn

1.2.1 Truyền dữ liệu trên một hệ thống mạng

Như đã nói ở phần mở đầu, các máy tính nối mạng với nhau để nhằm liên kết, chia sẻ dữ liệu với nhau Khi một hệ thống nào đó muốn gửi dữ liệu đến một hệ thống khác, nó sẽ chia các khối dữ liệu đó thành từng mảnh dữ liệu nhỏ gọi là gói tin(packet) Hệ thống gửi đi này đồng thời đóng gói những thông tin điều khiển việc chuyển vận gói tin đó vào một đầu mục của gói (packet header) và đặt nó ở đầu của mỗi gói Trong một mạng IP, mỗi một packet header chứa địa chỉ nguồn để định rõ địa chỉ nơi gửi gói đó Packet header cũng chứa địa chỉ IP đích ( destination IP address) nơi mà gói tin phải chuyển đến Địa chỉ đích này sẽ dùng để các bộ định tuyến xác định địa chỉ đích của gói tin đó và thực hiện công việc chuyển nó đến đúng địa chỉ đó

Trong nhiều trường hợp, không phải lúc nào thiết bị phát và thiết bị thu cũng được nối trực tiếp với nhau mà chúng phải thông qua các bộ định tuyến trung gian như ví dụ trong Hình 1.1 Trong những trường hợp này, thiết bị gửi sẽ gửi gói tin đó cho bộ định tuyến mà nó được nối trực tiếp tới Khi đó, bộ định tuyến này sẽ sử dụng địa chỉ đích (địa chỉ nơi nhận) của gói như một chìa khóa để tìm kiếm dữ liệu thông tin lộ trình của nó cho một quyết định chuyển tiếp nó đi Nếu bộ định tuyến này và thiết bị thu được kết nối trực tiếp với nhau thì nó sẽ chuyển gói tin đến thẳng thiết bị thu Nếu không phải được nối trực tiếp, bộ định tuyến này sẽ chuyển gói tin đến một

bộ định tuyến khác mà nó biết được qua quá trình phân tích thông tin lộ trình ở trên Quá trình như vậy được lặp lại cho đến khi gói tin được chuyển đến một bộ định tuyến được kết nối trực tiếp với thiết bị thu và được chuyển đến đích đến cuối cùng

Hình 1.1: Kiến trúc mạng đơn giản

Các phương thức quản lý hàng đợi tích cực

Trong một hệ thống mạng, một bộ định tuyến (router) thường có nhiều giao diện mạng gắn với những mối liên kết khác nhau như trong Hình 1.2 Những liên kết này dùng để kết nối với các bộ định tuyến khác hay kết nối với các mạng con (subnetwork ) Một mạng con thông thường bao gồm một hay nhiều những hệ thống kết thúc ( end system ) Khi một gói tin được chuyển tới router, nó sẽ sử dụng địa chỉ nơi nhận và dữ liệu thông tin lộ trình của gói tin để xác định liên kết đầu ra cho gói

tin đó Khi có nhiều gói tin từ nhiều nguồn khác nhau cùng đến router với một lộ trình đầu ra giống nhau thì chỉ có duy nhất một gói tin được đáp ứng còn các gói tin còn lại bị đẩy vào một hàng đợi tại mối liên kết đầu ra mà chúng yêu cầu Khi nhịp

độ đến router của các gói tin như vậy tăng lên, chúng sẽ tiếp tục được đưa vào hàng đợi đó

Thông thường, hàng đợi này sẽ được duy trì với cơ chế FIFO ( first in first out) Với cơ chế này thì những gói tin đến sau sẽ được xếp vào cuối hàng đợi Nếu mức độ chuyển các gói tin đi của router lớn hơn mức độ các gói tin khác đến router thì sau một khoảng thời gian nào đó hàng đợi sẽ trở lên rỗng Còn ngược lại, nếu mức độ chuyển các gói tin đi nhỏ hơn mức độ các gói tin khác đến router thì sau một khoảng thời gian hàng đợi sẽ đầy Khi đó, router sẽ phải loại bỏ các gói tin theo một cơ chế nào đó, nếu không hiện tượng tắc nghẽn sẽ xảy ra [1]

Hình 1.2: Kiến trúc cơ bản của một router

1.2.2 Nghẽn mạng và các nguyên nhân gây nghẽn

Khi có quá nhiều gói tin trong mạng ( hay một phần của mạng ) làm cho hiệu năng của mạng giảm đi vì các nút mạng không còn đủ khả năng lưu trữ, xử lý, truyền đi, chúng bắt đầu bị mất các gói tin dẫn đến sự tắc nghẽn trong mạng

Để tránh sự tắc nghẽn, trong các mạng sử dụng giao thức TCP cho phép giảm lưu lượng truyền khi xảy ra tắc nghẽn bằng cách sử dụng kỹ thuật khởi động chậm (slow-start) và giảm cửa sổ tắc nghẽn theo cấp số nhân Các bộ định tuyến theo dõi độ dài hàng đợi và sử dụng các tín hiệu điều khiển để thông báo với các máy tính rằng đã xảy ra tắc nghẽn TCP duy trì một cửa sổ gọi là cửa sổ tắc nghẽn dùng để giới hạn lượng dữ liệu ở mức ít hơn kích thước vùng đệm của nơi nhận khi

xảy ra sự tắc nghẽn Kích thước cửa sổ được tính như sau:

Kích thước được phép=min(Kích thước gói tin,kích thước cửa sổ tắc nghẽn) Khi bị mất một gói tin, giảm kích thước cửa sổ tắc nghẽn đi một nửa (cho tới khi chỉ còn kích thước của một gói tin) Với những gói tin vẫn còn nằm trong cửa sổ được phép, nhượng bộ bằng cách gia tăng bộ đếm thời gian truyền lại theo hàm mũ Quá trình khởi động chậm làm giảm luồng gói tin truyền qua các nút mạng nhưng đồng thời giải phóng được các gói tin còn tồn ở hàng đợi [2]

Hình 1.3: Ví dụ về nghẽn mạng

1.2.3 Cơ chế điều khiển luồng để tránh tắc nghẽn

Như đã nói sơ lược ở trên, điều khiển luồng là quá trình điều khiển gói báo nhận hoặc điều chỉnh kích thước cửa sổ trượt Việc sử dụng cửa sổ trượt có kích thước thay đổi là hỗ trợ việc điều khiển tốc độ truyền dữ liệu cũng như là việc truyền đáng tin cậy Để tránh việc nhận nhiều gói tin hơn khả năng lưu trữ, nơi nhận sẽ gửi

đi thông báo cửa sổ nhỏ hơn và ngược lại Trường hợp xấu nhất, nơi nhận sẽ gửi thông báo cửa sổ có kích thước là zero để ngưng tất cả việc truyền dữ liệu Nhưng việc nhiều lần ngưng truyền với những đợt ngắn do tràn hàng đợi tạm thời là không cần thiết, điều này làm tăng sự dao động thông lượng Vì vậy, cần có cơ chế điều khiển hợp lý giữa luồng gói tin đến và cơ chế xử lý tại nút nhận thích hợp

Thông thường, các điểm đầu cuối thường không nhận biết sự tắc nghẽn và tại sao chúng xảy ra Bởi vì tắc nghẽn là do sự trì hoãn gia tăng, nên hầu hết các phần

mềm giao thức sử dụng bộ đếm thời gian và truyền lại Vấn đề này gọi là sự sụp đổ

do nghẽn mạch Giải quyết toàn diện vấn đề này rất phức tạp, liên quan đến nhiều tầng giao thức khác nhau và nhiều dịch vụ khác nhau Thông thường, việc điều khiển

sự tắc nghẽn được thực hiện qua 3 bước sau:

Bước 1: Làm chủ hệ thống để phát hiện khi nào xảy ra và xảy ra ở đâu Khi xác định được tắc nghẽn ở đâu, lúc đó bước thứ 2 sẽ được thực hiện

Bước 2: Chuyển thông tin đến những nút mạng ( router) khác mà ở đó có thể tiến hành giải quyết được công việc đồng thời thông báo tắc nghẽn ( ECN : Explicit Congestion Notification ) cho các router khác Tất nhiên, các gói tin phụ sẽ làm tăng tải vào thời điểm nhiều tải không cần thiết

Một phương pháp khác là máy chủ hay router gửi các gói tin thăm dò để biết

rõ ràng về sự tắc nghẽn Thông tin có thể được sử dụng chỉ lưu thông quanh khu vực

có sự cố

Bước 3: Khi nhận được thông tin về sự tắc nghẽn, máy chủ có những hành động thích hợp để giảm sự tắc nghẽn như: Sắp xếp lại tuyến đường truyền tin, hạn chế không cho truyền gói tin vào những đường xảy ra tắc nghẽn, … Các phương pháp có thể hoạt động ở trạm nguồn hoặc ở trạm đích

Hoạt động ở trạm nguồn: Bao gồm gói tin được gửi đi, trở lại từ điểm tắc nghẽn báo cho nguồn hoặc nguồn suy đoán về sự tồn tại của tắc nghẽn bằng việc quan sát thời gian cần thiết cho sự báo nhận đi trở lại

Hoạt động ở trạm đích: Sự hiện diện của tắc nghẽn có nghĩa là tải( tạm thời) lớn hơn lượng tin ( một phần hệ thống ) có thể quản lý Hai giải pháp có thể thực hiện để giải quyết là tăng tài nguyên ( lượng thông tin có thể lưu trữ) hoặc giảm tải

Tuy nhiên, đôi khi không thể tăng khả năng tài nguyên lên được hoặc nếu tăng thì chỉ tăng đến một giới hạn nhất định Cách duy nhất để tác động sự tắc nghẽn

là giảm tải Để giảm tải có thể phủ nhận dịch vụ với nơi sử dụng, giảm bớt dịch vụ

từ các trạm gửi đến hoặc cải tiến giao thức điều khiển phù hợp, cải tiến cơ chế xử lý gói tin tại hàng đợi của các nút mạng trung tâm theo một trật tự ưu tiên phù hợp

1.3 Sự cần thiết phải quản lý hàng đợi

1.3.1 Khái niệm quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Managament)

Quản lý hàng đợi tích cực ( AQM ) là một cơ chế phát hiện sự tắc nghẽn trong hệ thống mạng Những giải thuật quản lý hàng đợi tích cực chạy bên trong những bộ định tuyến và phát hiện sự tắc nghẽn phôi thai điển hình bằng cách theo dõi chiều dài hàng đợi tức thời hay chiều dài hàng đợi trung bình Khi kích thước hàng đợi trung bình vượt quá một ngưỡng nhất định nhưng vẫn còn ít hơn khả năng

xử lý của hàng đợi, những giải thuật quản lý hàng đợi tích cực xem xét sự tắc nghẽn trên mối liên kết và thông báo trở lại cho những hệ thống bằng cách thả một số gói tin chuyển đến bộ định tuyến Các giải thuật AQM có thể cũng đặt một bit vào header của một gói tin nào đó rồi chuyển nó về phía thiết bị nhận của gói đó sau khi

sự tắc nghẽn được phát hiện Khi thiết bị thu nhận được gói tin đã được đánh dấu này, nó sẽ gửi trở lại bên phát gói tin đó một bit khác trong phiên làm việc giữa nó

và bên phát Khi bên phát nhận được tín hiệu này, nó sẽ giảm bớt tín hiệu truyền dữ liệu Quá trình đặt một bit đặc biệt trong header của gói tin bởi những giải thuật AQM và việc chuyển gói tin đã được đánh dấu đó đến bên nhận gọi là sự đánh dấu (mark) Gói tin chứa bit đặc biệt trong quá trình trên gọi là gói tin được đánh dấu Những hệ thống trải qua việc bị đánh dấu hoặc bị mất mát gói tin sẽ giảm nhịp độ truyền dữ liệu để giải toả sự tắc nghẽn và ngăn việc tràn hàng đợi

Mục tiêu quan trọng nhất của các giải thuật AQM là ngăn ngừa sự tắc nghẽn trước khi nó thực sự xuất hiện Như vậy, việc sử dụng hiệu quả các giải thuật quản lý hàng đợi sẽ đem lại những hiệu quả đó là: giảm bớt sự mất mát các gói tin, đạt được một lưu lượng truyền dữ liệu cao và một độ trễ hàng đợi thấp Điều này thật sự là một cải thiện rất tốt cho những ứng dụng tương tác như duyệt Web hay các cuộc hội thoại trực tiếp

Một mục tiêu quan trọng khác của quản lý hàng đợi tích cực là quản lý tắc nghẽn với yêu cầu ngăn ngừa sự đồng bộ hoá toàn cục ( global synchronization ) bằng sự ngẫu nhiên trong quyết định đánh dấu hay loại bỏ gói tin Khi một sự tắc

nghẽn được nghi ngờ trên một mối liên kết nào đó, đa số những giải thuật quản lý hàng đợi không đánh dấu hay loại bỏ gói tin một cách một cách tất định mà là ngẫu nhiên Xác suất đánh dấu hay loại bỏ của một gói tin được chuyển đến thông thường phụ thuộc vào độ ước tính của sự tắc nghẽn trên mối liên kết [1]

1.3.2 Sự cần thiết phải có quản lý hàng đợi tích cực

Kỹ thuật truyền thống để quản lý chiều dài hàng đợi là thiết lập một giá trị chiều dài cực đại cho mỗi hàng đợi, những gói tin( packet ) được chấp nhận đưa vào hàng đợi cho đến khi hàng đợi đạt giá trị max, sau đó sẽ loại bỏ những gói tin được chuyển đến tiếp theo cho đến khi hàng đợi được giảm bớt bởi các gói đã được truyền

đi Kỹ thuật này được gọi là “Drop Tail” ( Khi hàng đợi full nó sẽ loại bỏ những gói tin ở cuối hàng đợi)

Phương pháp này có 2 hạn chế:

+ lock out ( khoá): Trong một số trường hợp, gói tin cuối cho phép một kết nối đơn hoặc vài luồng dữ liệu độc quyền xếp hàng ngăn ngừa các kết lối khác trong cùng hàng đợi Hiện tượng “lock out” là kết quả của sự đồng bộ hoá hay các hiệu ứng thời gian khác

+ full queue (hàng đợi đầy ): Kỹ thuật Drop Tail cho phép duy trì hàng đợi ở nguyên trạng thái trong suốt thời gian dài cho đến khi có các tín hiệu tắc nghẽn ( các tín hiệu tắc nghẽn này được truyền qua các gói tin bị loại bỏ khi hàng đợi đầy)

Điều này rất quan trọng trong việc giảm bớt kích thước hàng đợi dừng và đây

là điều quan trọng nhất trong mục đích quản lý hàng đợi

Giả thiết đơn giản đó là có một sự cân bằng đơn giản giữa độ trễ ( delay ) và lưu lượng Nếu hàng đợi đầy hoặc gần đầy, dẫn đế burst làm cho nhiều gói tin được loại bỏ Điều này có thể dẫn đến một sự đồng bộ hóa ở phạm vi lớn các gói tin đến sau, làm cho lưu lượng toàn bộ quá trình giảm

Full Queue gây lên trạng thái không ổn định trong hàng đợi Một cơ chế quản

lý hàng đợi tích cực có thể đem lại những ưu điểm sau:

Giảm bớt những gói tin được loại bỏ trong router Packet burst là một khía cạnh không thể tránh được của mạng gói (packet network) Nếu tất cả không gian hàng đợi trong router đã ở trạng thái chuyển vận ổn định, hay nếu không gian bộ đệm không đủ, router sẽ không có khả năng tạo ra buffer burst Bằng việc giữ cho kích thước hàng đợi trung bình nhỏ, quản lý hàng đợi tích cực sẽ cung cấp khả năng lớn hơn để giảm bớt các gói bị loại bỏ trong quá trình chuyển vận Hơn nữa, nếu như không có quản lý hàng đợi tích cực thì sẽ có nhiều gói tin bị loại bỏ khi hàng đợi bị tràn đầy Đây là một hạn chế cho hàng đợi bởi các lý do:

- Với một hàng đợi dùng chung , một sự đồng bộ hoá các gói tin bị loại bỏ dẫn đến hiệu quả thấp hơn trong việc sử dụng mối liên kết trung bình và làm giảm lưu lượng mạng

- Làm cho quá trình phục hồi của hệ thống khó khăn hơn

- Đó là một sự tiêu phí giải thông một cách không cần thiết

Giảm độ trễ dịch vụ: Bằng việc giữ cho kích thước hàng đợi trung bình nhỏ, quản lý hàng đợi sẽ giảm bớt độ trễ giữa các luồng dữ liệu

Tránh hiện tượng Knock-out: Quản lý hàng đợi tích cực sẽ gần như luôn luôn đảm bảo một bộ đệm sẵn cho các gói tin được chuyển tới hàng đợi Hàng đợi tích cực sẽ có thể ngăn ngừa một sự thiên lệch trong router chống lại việc giải thông thấp nhưng lại có nhiều luồng bursty cao [3] [4]

1.4 Tổng kết chương

Chương này khái quát về vấn đề truyền thông tin trên mạng, hiện tượng nghẽn mạng và các nguyên nhân nghẽn mạng trong mạng viễn thông, giới thệu cơ chế điều khiển luồng để tránh tắc nghẽn trong mạng viễn thông

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI

2.1 Giới thiệu

Một số lượng lớn các giải thuật quản lý hàng đợi tích cực ( AQM ) đã được người ta nghiên cứu và đề xướng trong nhiều năm gần đây Ở phần này, chúng ta sẽ

đi nghiên cứu, tìm hiểu một số thuật toán quản lý hàng đợi tích cực như:

 ECN (Explicit Congestion Notification) : Cơ chế thông báo tắc nghẽn

 RED ( Random Early Detection): Cơ chế huỷ bỏ sớm ngẫu nhiên

 WRED (Weighted Random Early Discarding ) : Cơ chế hủy bỏ sớm ngẫu nhiên có trọng số

 ARED ( Adaptive - RED )

 DRED ( Dynamic - RED )

 SRED ( Stabilized - RED)

2.2 Cơ chế thông báo tắc nghẽn

2.2.1 Khái niệm chung

Cơ chế thông báo tắc nghẽn rõ ràng ECN (Explicit Congestion Notification )

là một phương pháp điều khiển tắc nghẽn, ứng dụng vào điều khiển các luồng chuyển vận được sử dụng trong hệ thống sử dụng giao thức TCP/IP

Phương pháp ECN được đề xướng vào năm 1999 từ ý tưởng sẽ phát hiện sớm những tắc nghẽn của hệ thống và gửi những tín hiệu thông báo đến hệ thống trước khi hàng đợi bị tràn Phương pháp này là một sự tiếp cận khác từ phương pháp RED và WRED ( ta sẽ đề cập cụ thể hơn về 2 phương pháp này ở phần sau của bài viết) [3] [5]

Trong những hệ thống mạng TCP/IP hiện nay, những gói bị loại bỏ được xem là dấu hiệu thông báo sự tắc nghẽn Phần lớn những bộ định tuyến trong mạng TCP/IP không có sự chuẩn bị cho việc phát hiện sự tắc nghẽn phôi thai Vì thế, khi hàng đợi tràn, những gói tin sẽ bị thả Khi các nguồn TCP phát hiện ra việc các gói

tin bị thả, nó sẽ phát hiện ra sự tắc nghẽn hiện thời trong mạng

Vì thế, người ta đề ra giải pháp để phát triển việc phát hiện sự tắc nghẽn phôi thai của hệ thống bằng cách tính toán kích thước hàng đợi trung bình và đặt một bit ECN trong packet header khi kích thước hàng đợi trung bình vượt quá một ngưỡng nào đó với ý tưởng sẽ phát hiện và thông báo sự tắc nghẽn mà không cần phải dựa vào những gói tin bị loại bỏ Đây chính là sự khác biệt cơ bản giữa cơ chế ECN và

cơ chế RED Ở cơ chế RED, khi xảy ra tắc nghẽn, các gói tin được loại bỏ một cách ngẫu nhiên Còn ở cơ chế ECN, những trường đã được đánh dấu sẽ được đi qua để thông báo sự tắc nghẽn đến hệ thống Điểm giống nhau giữa hai cơ chế này là đều cùng sử dụng chung một giải thuật lựa chọn gói tin dự báo sự tắc nghẽn [6]

2.2.2 Sự đánh dấu trong IP header

TCP sử dụng một trường ECN ở IP header với hai bit để đánh dấu 4 mã ECN

từ “00” đến “11” Mã “11” được hiểu như một mã Congestion Experienced ( CE ) dùng để chỉ ra sự tắc nghẽn đến các điểm nút kết thúc Mã “10” và “01” tương ứng biểu diễn các mã ECT(0) và ECT(1) được sử dụng để biểu thị đó là ECN-Capable Hai mã này dùng để các bộ định tuyến nhận biết được và không xóa bỏ mã CE trong quá trình chuyển đi của nó và đồng thời để các thiết bị nhận được mã CE báo cáo lại bên phát một cách chính xác việc đã nhận được các mã CE này Mã “00” để xác định gói dữ liệu đó hiện giống như các gói không sử dụng ECN khác ( Mặc định trong tất cả các gói IP khác là “00” ) [1] [3] [7]

Hình 2.1: ECN Field trong IP header

Hình 2.2: ECN bit trong IP header

2.2.3 Sự đánh dấu trong TCP header

TCP header cũng phải chứa đựng những thông tin cho quá trình ECN Trong TCP header người ta đưa ra hai cờ: CWR ( Congestion Window Reduced ) và ECE ( ECN-Echo )

+ Cờ ECE dùng để xem xét các khả năng ECN giữa nguồn phát và nguồn thu TCP

+ Cờ CWR được dùng để gửi thông báo từ phía nguồn phát đến nguồn thu rằng cửa sổ tắc nghẽn đã được giảm bớt Qua thông báo này, nguồn nhận sẽ có thể xác định thời điểm ngừng đặt cờ ECN-Echo [1] [3] [7]

Hình 2.3: Cấu trúc TCP Header với 2 cờ CWR và ECE

PSH 1bit

RST 1bit

SYN 1bit

FIN 1bit Reserved Field

6 bit

Reserved

1bit

Reserved 1bit

Reserved 1bit

Reserved 1bit

CWR 1bit

ECN Echo 1bit Hình 2.4 : Cấu trúc 2 trường code field và Reserved field của TCP header

ECN sử dụng hai cờ ECT và CE ở trong IP header để báo hiệu giữa các endpoint ( điểm cuối ) với những bộ định tuyến trong một kết nối Hai cờ CWR và ECN-Echo trong TCP header để giao tiếp giữa 2 TCP-endpoint

Hoạt động giữa bên thu và bên phát TCP diễn ra theo một chuỗi các sự kiện.:

 Sau những thỏa thuận rõ ràng giữa bên phát và bên thu về việc quyết định sử dụng ECN, bên phát đặt một mã ECN-Capable Transport ( ECT ) vào IP header của gói tin

 Khi một bộ định tuyến có sử dụng ECN phát hiện ra sự tắc nghẽn, nó sẽ lựa chọn một gói tin Nếu gói tin đó được đặt mã ECT, thay vì loại bỏ gói tin này, bộ định tuyến sẽ đặt một mã CE ( Congestion Experienced ) thông báo sự tắc nghẽn vào

IP header của gói tin này mục đích để thông báo đến bên thu dấu hiệu của sự tắc nghẽn sắp xẩy ra và tiếp tục chuyển nó đến bên nhận

 Khi nhận được gói tin với bit CE này, thiết bị thu sẽ đặt một cờ Echo (ECE) trong phiên TCP ACK tiếp theo cho bên phát

ECN- Khi bên phát nhận được gói ACK này, nó sẽ đặt một cờ CWR xác nhận việc nó đã nhận được gói ẠCK với cờ ECE kia và đồng thời nó sẽ giảm nhịp

độ gửi dữ liệu và thông báo nó đã sẵn sàng phản ứng lại tới sự tắc nghẽn sắp xẩy đến [1] [3] [7]

2.3 Cơ chế hủy bỏ sớm ngẫu nhiên RED ( Random Early Detection)

2.3.1 Mô tả khái quát về thuật toán

Thuật toán RED ( Random Early Detection ) là một trong các giải thuật được

sử dụng để điều khiển tránh tắc nghẽn dữ liệu tại các hệ định tuyến bằng cách kiểm tra độ dài trung bình hàng đợi với các gói dữ liệu đến và quyết định đánh dấu (để loại bỏ sau này nếu cần thiết ) hoặc loại bỏ gói dữ liệu đến với xác suất tăng dần khi

độ dài trung bình của hàng đợi vượt quá giá trị một ngưỡng xác định [8] [9]

RED sẽ tính toán kích thước hàng đợi trung bình, sử dụng một bộ lọc thông thấp và một hàm mũ

Hình 2.5: Mô hình quản lý hàng đợi dùng thuật toán REDGiá trị ngưỡng loại bỏ được xác định trước bởi 2 giá trị maxth và minth Kích thước hàng đợi trung bình sẽ được so sánh với 2 giá trị này Có thể xảy ra các trường hợp sau đây:

 Khi độ dài trung bình của hàng đợi dữ liệu đến nhỏ hơn giá trị minth thì

sẽ không có một gói dữ liệu nào bị đánh dấu (marked) Đây là trường hợp hoạt động bình thường

 Khi độ dài trung bình của hàng đợi dữ liệu đến nằm trong khoảng minth

và maxth, các gói dữ liệu đến sẽ được đánh dấu với xác suất Pa ∈ [ 0, maxP ] Trong đó, giá trị Pa là hàm số tuyến tính của độ dài trung bình hàng đợi avg ( average queue size ) Giá trị Pa được gán cho các gói dữ liệu đến của một kết nối sẽ

tỷ lệ tuyến tính với tỷ số băng thông của kết nối đó với tổng số băng thông của hệ định tuyến

 Khi độ dài trung bình của hàng đợi dữ liệu chuyển đến lớn hơn giá trị maxth thì mỗi gói số liệu đến sẽ được đánh dấu ( marked ) ( để loại bỏ sau này trong trường hợp tắc nghẽn dữ liệu ) hoặc bị loại bỏ luôn Điều này đảm bảo cho độ dài trung bình của hàng đợi bị chiếm dụng (để lưư chữ các gói số liệu đến ) không vượt quá đáng kể ngưỡng chiếm dụng tối đa maxth [9] [10]

RED bỏ gói một cách ngẫu nhiên Tính chất ngẫu nhiên của RED có nghĩa là thay vì đợi đến khi hàng đợi đầy và buộc nhiều kết nối chuyển qua trạng thái khởi động chậm, bộ định tuyến hủy bỏ các datagram một cách ngẫu nhiên và từ từ theo dõi sự ra tăng của sự nghẽn mạch

2.3.2 Giải thuật RED và các tham số

Giải thuật RED gồm 2 giải thuật:

+ Giải thuật thứ nhất là giải thuật tính trung bình kích thước hàng đợi Đây

là một hàm mũ được biểu diễn bằng công thức sau:

avgi = ( 1 - Wq ) x avgi-1 + Wq x q Trong đó: Wq ( trọng số dùng để tính toán kích thước hàng đợi trung bình ) thường được lấy là 0.002 Và q là kích thước hàng đợi tức thời

+ Giải thuật thứ hai là giải thuật tính toán xác suất các gói tin được đánh dấu

để đưa ra mức độ của sự tắc nghẽn Mục đích để đánh giá các gói tin không thiên lệch, tránh sự đồng bộ hoá, và đánh dấu các gói tin một cách đầy đủ và liên tục để có thể kiểm soát kích thước hàng đợi trung bình

Một điều đặc biệt là, giải thuật RED phân chia thành những quá trình quyết định khi nào loại bỏ gói tin Như đã nói, RED dùng sự ngẫu nhiên để quyết định sẽ loại bỏ gói tin nào Người ta đã sử dụng một xác suất Pa được tính theo công thức sau:

Pb = maxp x ( avg - minth ) / ( maxth - minth )

Và :

Pa = Pb / ( 1- count x Pb )

Ở đây, maxp là một tham số do người dùng đặt ra, thông thường lấy giá trị từ 2% đến 10% Pb thay đổi tuyến tính từ 0 và maxp maxth được định nghĩa như ngưỡng trên, vượt quá ngưỡng này , tất cả các gói tin bị loại bỏ count là một bộ đếm dùng để tính toán số gói tin bị đánh dấu.Nó là số lượng các gói tin bị đánh dấu tính

từ lần đánh dấu cuối cùng

Điểm mấu chốt để cho RED hoạt động tốt chính là việc chọn các giá trị chặn trên ( maxth ) và chặn dưới ( minth ) và hàm xác suất P Giá trị minth phải đủ lớn để đảm bảo rằng liên kết để gửi dữ liệu đi được sử dụng với hiệu suất cao Hơn nữa, vì RED hoạt động giống cơ chế hủy bỏ gói cuối hàng đợi ( Tail Drop ) khi kích thước hàng đợi vượt quá maxth nên maxth phải lớn hơn một lượng trong khoảng bằng sự gia tăng kích thước hàng đợi trong quá trình đi một vòng Nếu không thì RED cũng gây ra những ảnh hưởng tương tự chế độ hủy bỏ cuối hàng đợi.[8][9][10]

Việc tính toán xác suất P là khía cạnh phức tạp nhất của RED Thay vì sử dụng một hằng số, một giá trị P mới được tính cho mỗi datagram Giá trị này phụ thuộc vào mối quan hệ giữa kích thước hàng đợi hiện tại và giá trị maxth , minth

Mặc dù mô hình tuyến tính hình thành nên cơ sở của phép tính xác suất cho RED, nhưng cần phải có những hiệu chỉnh để tránh tình trạng phản ứng “quá vội vàng” Cần có những thay đổi vì lưu lượng trên mạng đi theo từng đợt, gây ra những dao dộng quá nhanh của hàng đợi trong bộ định tuyến Nếu RED sử dụng mô hình tuyến tính đơn giản, những datagram đến sau trong mỗi đợt sẽ bị gán xác suất cao cho khả năng loại bỏ ( vì chúng đến khi hàng đợi có nhiều datagram ) Tuy nhiên, bộ định tuyến không nên huỷ bỏ những datagram này một cách không cần thiết như vậy

vì như thế sẽ ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của TCP nếu gặp một datagram ngắn, ít khả năng bị loại bỏ vì hàng đợi chưa đầy Dĩ nhiên, RED không thể hoãn việc huỷ

bỏ vô thời hạn vì một đợt dài sẽ làm hàng đợi đầy, kết quả là giống như cơ chế huỷ

bỏ gói cuối hàng đợi, làm ảnh hưởng xấu đến toàn mạng

Để giải quyết bài toán trên, RED cần gán một xác suất loại bỏ cao hơn khi hàng đợi đầy mà không phải huỷ bỏ datagram của mỗi đợt RED tính kích thước hàng đợi trung bình có trọng số avg, thay vì sử dụng kích thước thật tại thời điểm đó,

và sử dụng kích thước trung bình này để xác định xác suất Vì kích thước hàng đợi trung bình biến đổi nhỏ hơn kích thước hàng đợi thật, giá trị avg được cập nhật mỗi khi có datagram gửi đến theo phương trình sau:

avgi = ( 1 - Wq ) x avgi-1 + Wq x q

Về sau này, Floyd đã đề xướng thêm một sự cải tiến tới giải thuật RED và được gọi là “gentle option” ( tuỳ chọn mềm dẻo hơn ) mà theo đó, khi kích thước hàng đợi trung bình đạt đến giá trị maxth, các gói không được loại bỏ hoàn toàn luôn mà sẽ được loại bỏ với một xác suất tuyến tính ngày càng tăng cho đến khi giá trị avg vượt quá 2 lần giá trị maxth thì tất cả các gói tin mới bị loại bỏ

Người ta có thể chọn giá trị maxth bất kỳ, nhưng thường lấy giá trị maxth bằng 3 lần giá trị minth và nhỏ hơn QL ( giới hạn hàng đợi - Queue Limit ) Ở đây,

QL có thể được xét đến theo các gói hoặc các byte.[11]

2.4 Cơ chế huỷ bỏ sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED ( Random Early Discarding )

2.4.1 Khái quát

Khi một hàng đợi bị đầy, nó không còn chỗ cho các gói tin vừa đến, vì vậy

nó sẽ loại bỏ các gói này Hiện tượng này gọi là loại bỏ cuối hàng (tail drop) Thông thường khi một hàng đợi bị đầy, vài gói tin sẽ bị loại bỏ cùng lúc ở một thời điểm

Cơ chế loại bỏ cuối hàng tail drop có thể gây ảnh hưởng tiêu cực trên lưu lượng mạng, đặc biệt là lưu lượng TCP Khi thả một gói tin bị mất, vì bất kỳ lý do

gì, các kết nối TCP sẽ giảm tốc độ gửi dữ liệu Khi hiện tượng loại bỏ gói tin xảy ra

và nhiều gói tin bị mất, các kết nối TCP sẽ giảm tốc độ thêm nữa Ngoài ra, hầu như các mạng đều gửi một tỉ lệ phần trăm của lưu lượng TCP nhiều hơn UDP, nghĩa là toàn bộ tải của mạng có khuynh hướng bị loại bỏ

Thông lượng tổng thể của mạng có thể được cải tiến bằng cách loại bỏ chỉ vài gói tin khi hàng đợi bắt đầu bị đầy Các này tốt hơn là chờ những ảnh hưởng của

cơ chế Tail Drop Cisco đã tạo ra cơ chế WRED (Weighted Random Early Detection) đặc biệt cho mục đích giám sát chiều dài hàng đợi và loại bỏ một số gói tin trong hàng đợi để cải tiến hiệu năng của mạng Khi hàng đợi trở lên dài hơn, WRED bắt đầu loại bỏ nhiều gói tin, với hy vọng rằng sự gia giảm trong phần tải có thể đủ để ngăn ngừa hàng đợi bị đầy [3]

2.4.2 Cơ chế hoạt động

Hình 2.6 : Sơ đồ hoạt động của WRED WRED dùng vài chỉ số khi thực hiện quyết định Đầu tiên, WRED dùng thông số kích thước hàng đợi trung bình khi nó quyết định là một hàng đợi đã bị đầy

đủ để bắt đầu loại bỏ gói tin WRED sau đó sẽ so sánh chiều sâu trung bình với mức giới chặn trên và chặn dưới, thực hiện các hành động loại bỏ khác nhau tùy thuộc vào kết quả so sánh Các hành động được liệt kê trong bảng dưới đây:

Bảng 2.1: Giải thuật WRED

Kích thước trung bình hàng

đợi so với các giới hạn

Hành động Tên trong công

nghệ WRED Kích thước trung bình <

chặn dưới

Không có gới tin nào bị loại bỏ No drop

Chặn dưới < kích thước

trung bình < chặn trên

Một số phần trăm gói tin bị loại bỏ tỉ

lệ loại bỏ sẽ tăng từ 0 đến tỉ lệ tối đa kích thước trung bình của hàng đợi thay đỏi từ mức chặn dưới lên mức chặn trên

Loại bỏ ngẫu nhiên

Khi kích thước trung bình của hàng đợi là rất thấp hay rất cao, hành động là rất rõ ràng Khi kích thước hàng đợi trung bình tăng trên mức giới hạn trên, WRED

sẽ loại bỏ tất cả các gói tin mới Mặc dù hành động này có thể giống cơ chế loại bỏ cuối hàng tail drop, nhưng về phương diện kỹ thuật hai cớ chế không giống nhau, vì hàng đợi thực sự có thể không bị đầy Vì vậy, để thấy rõ sự khác biệt này, WRED gọi nhóm hành động này là loại bỏ hoàn toàn full drop

Hình 2.7 : Cơ chế loại bỏ gói tin của WRED Khi kích thước trung bình của hàng đợi nằm giữa hai giới hạn, WRED sẽ loại bỏ một số gói tin Tỉ lệ loại bỏ tăng tuyến tính khi kích thước trung bình hàng của hàng đợi tăng từ mức tối thiểu lên mức tối đa như mô tả trong hình trên [12]

2.4.3 Sự ảnh hưởng của thông số MPD (mark probability denominator) đến

sự hoạt động của WRED

Thông số cuối cùng của WRED ảnh hưởng đến hoạt động của nó là thông số MPD ( mark probability denominator ) Thông số này là cơ sở để tính ra tỉ lệ phần trăm tối đa 10% trong hình 13 IOS tính tỉ lệ phần trăm bị loại bỏ được dùng ở mức giới hạn chặn trên dựa trên công thức đơn giản 1/MPD Trong hình 13 , giá trị MPD bằng 10 sẽ tính ra giá trị nêu trên, nghĩa là tốc độ loại bỏ gói tin tăng từ 0 đến 10% khi kích thước hàng đợi trung bình tăng từ mức tối thiểu đến mức tối đa Ngoài ra,

khi WRED loại bỏ gói tin, nó sẽ ngẫu nhiên chọn lựa gói tin để loại bỏ

WRED gán các độ ưu tiên đến các gói tin với một giá trị IPP hoặc DSCP (Differentiated Services Codepoint) nào đó Để thực hiện điều này, WRED dùng các mẫu lưu lượng khác nhau cho các giá trị IPP và DSCP khác nhau Một mẫu lưu lượng WRED bao gồm việc gán ba biến quan trọng của WRED : mức chặn dưới, mức chặn trên và giá trị MPD Hình dưới đây mô tả một trường hợp, trong đó có hai mẫu lưu lượn WRED, một mẫu IPP bằng 0 và một mẫu IPP bằng 3

Hình 2.8: Biểu diễn các trọng số của WRED Như trong hình mô tả, giá trị chặn dưới của IPP 3 là cao hơn mức chặn dưới của IPP 0 Kết quả là, giá trị IPP 0 sẽ bị loại bỏ sớm hơn của gói IPP 3 Ngoài ra, giá trị MPD của IPP 3 cao hơn làm cho một tỉ lệ loại bỏ thấp hơn ( dựa trên công thức 1/MPD )

Bảng 2.2: Các thông số mặc định của WRED cho các giá trị DSCP khác nhau

2.4.4 Cách cấu hình WRED trong các thiết bị của Cisco

Có thể nói, WRED là cơ chế quản lý hàng đợi của Cisco đưa ra dựa trên nền tảng cơ chế RED, dùng để giám sát chiều dài hàng đợi và loại bỏ một số gói tin nào

đó trong hàng đợi để cải tiến hiệu năng mạng

Bởi vì WRED quản lý việc loại bỏ gói tin dựa trên kích thước hàng đợi, nên WRED phải được cấu hình trong một hàng đợi nào đó Tuy nhiên, phần lớn các cơ chế hàng đợi không hỗ trợ WRED nên kết quả là WRED có thể được cấu hình chỉ trên những vị trí sau:

 Trên một cổng vật lý ( với cơ chế FIFO )

 Trên những lớp không phải là LLQ (Low-Latency Queuing - Hàng đợi có độ trễ thấp ) trong một chính sách policy-map của CBWFQ ( Class-Based Weighted Fair Queuing - Hàng đợi cân bằng dựa trên lớp )

 Trong một mạch ảo ATM VC

Để dùng WRED trực tiếp trên một cổng vật lý, IOS thường tắt tất cả các cơ chế hàng đợi khác và tạo ra một hàng đợi đơn FIFO duy nhất WRED sau đó sẽ quản

lý vấn đề loại bỏ gói tin trên hàng đợi này

Để cấu hình WRED trên thiết bị, ta phải thực hiện những công việc sau đây:

 Cho phép bật WRED ( Bắt buộc ):

 Thay đổi những tham số của WRED ( tùy chọn ): Sử dụng lệnh:

#random-detect exponential-weighting-constant exponent

Thiết lập hệ số trọng số được dùng trong việc tính toán chiều dài hàng đợi trung bình.Việc tính toán kích thước trung bình của hàng đợi có thể bị ảnh hưởng thông qua một thông số gọi là “exponential weighting constant” Một giá trị thấp của hằng số này có nghĩa là kích thước trung bình là một phần nhỏ của quá trình tính toán, dẫn đến sự thay đổi nhanh hơn trong kích thước hàng đợi trung bình

#random-detect precedence precedence min-threshold max-threshold mark-prob-denominator

Thiết lập những tham số cho các gói với mức ưu tiên đặc biệt Thiết lập giá trị ngưỡng max, min Khi ta thiết lập WRED với những tham số mặc định ( sử dụng câu lệnh randomdetect ) thì hệ số trọng số mặc định là 9 Và với tất cả các mức ưu tiên, mẫu số xác suất đánh dấu gói tin ( mark-prob-denominator) là 10 Ngưỡng cực đại(max-threshold ) được dựa vào khả năng bộ đệm đầu ra và tốc độ truyền dẫn Giá trị mặc định của minthreshold phụ thuộc vào mức ưu tiên

 Theo dõi hoạt động của WRED ( tuỳ chọn ):

Để theo dõi hoạt động của WRED trong mạng, ta có thể sử dụng các câu lệnh sau khi cần thiết:

Show queue interface-type interface-number: Theo dõi các thông tin header của những gói bên trong hàng đợi

Show queueing interface interface-number [vc [[vpi/] vci] ]: Trình bày thống

kê WRED của một mạch ảo ( virtual circuit )

Show queueing random-detect : Hiển thị cấu hình hàng đợi cho WRED Show interfaces [type slot | port-adapter | port : Hiển thị cấu hình WRED [12]

CHƯƠNG 3 GIẢM BẬC MÔ HÌNH THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BĂNG NỘI

3.1 Giới thiệu

Khái niệm cân bằng nội được Moore đề xuất đầu tiên năm 1981 và áp dụng

để giải bài toán giảm bậc mô hình [13], được Perenbo và Silverman phát triển thêm năm 1982 [14] và năm 1984, được Glover xác định mối quan hệ với các chuẩn Hankel [15] Điều kiện cân băng nội được xây dựng trên cơ sở chéo hóa đồng thời hai Gramian đặc trưng cho khả năng điều khiển và quan sát của hệ thống

3.2 Phát biểu bài toán giảm bậc mô hình

Cho một hệ tuyến tính, liên tục, tham số bất biến theo thời gian, có nhiều đầu vào, nhiều đầu ra, mô tả trong không gian trạng thái bởi hệ phương trình sau:

Cx y

Bu Ax x

Mục tiêu của bài toán giảm bậc đối với mô hình mô tả bởi hệ phương trình

đã cho trong (3.1) là tìm mô hình mô tả bởi hệ các phương trình:

r r r

r r r r

x C y

u B x A x

3.3 Phương pháp cân bằng nội của Moore

3.3.1 Một số ký hiệu toán học

R: là trường số thực

PC[t1, t2] : là vành các hàm liên tục từng đoạn trong khoảng thời gian [t1, t2]

Rm là không gian véc tơ Eculid m chiều

PCm[t1, t2] là không gian véc tơ m chiều của các mẩu hàm liên tục từng đoạn trong khoảng thời gian [t1, t2]

S là không gian con của Rn

S là ký hiệu của phần bù trực giao của không gian con S

U là ma trận cơ sở trực giao của S, với mỗi cột của U là một cơ sở trực chuẩn của S

Ánh xạ M: Rk  Rn : chiếu từ không gian véc tơ Rk đến không gian véc tơ

Rn – tương ứng sẽ xác định được một ma trận M của ánh xạ M có kích thước là (k x m) hay MRkxm – tập các ma trận số thực có kích thước (k x m)

Ker(M) là hạt nhân của ánh xạ M – là tập tất cả các phần tử của Rk

có ảnh là

Rn (tập rỗng), ker(M) là không gian con của Rk

Ker(M) := {x  xRk, M(x) = } Im(M) là ảnh của ánh xạ M – Là tập tất cả các phần tử của Rn là ảnh của ít nhất một phần tử của Rk Im(M) là không gian con của Rn

Im(M) := {y  yRn, xRk, M(x) = y}

MT là ma trận chuyển vị của ma trận M

M chuẩn của một ma trận

MF : là chuẩn Eculid của ma trận M (hay chuẩn Frobenius)

M2 : là phổ tiêu chuẩn – chuẩn bậc 2 của ma trận M

v chuẩn của một véctơ trong không gian Eculid Rn

3.3.2 Tổng quan về đưa tín hiệu vào của lý thuyết thực hiện tối tiểu

Hai công cụ toán học lý tưởng để phân tích tín hiệu vector thời gian là phân tích thành phần chính và phân tích giá trị suy biến Để sử dụng 2 cộng cụ trên một cách rõ ràng và hiệu quả hơn, lý thuyết thực hiện tối thiểu sẽ được xem xét lại từ điểm đưa tín hiệu vào tổng quát Cụ thể, không gian con điều khiển được và không quan sát được sẽ được mô tả trong các số hạng của đáp ứng véc tơ thời gian của mô hình để kiểm tra tín hiệu đưa vào tại các điểm thích hợp

Để tránh nhầm lẫn, ta biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái Hệ thống được minh họa trong hình 2.1, có m đầu vào (ˆu), r đầu ra (ˆy), trạng thái cân

bằng đạt được tại điểm cân bằng (ˆ y , u e ˆ e) được biểu diễn như bằng hệ phương trình như sau:

) ( )

(

) ( )

( )

(

t Cx t

y

t Bu t

Ax t

Hình 3.1 Các tín hiệu vào ra của hệ thống

Hệ phương trình (3.1) chỉ mô phỏng các đặc điểm chính của mối quan hệ vào – ra của hệ thống và được thể hiện qua thông số của biến x(t), các ma trận A, B,

C, D đặc trưng cho tính chất động học của hệ thống Hơn thế nữa, từ (3.1) chỉ có một mô hình duy nhất, để chứng minh chúng ta có thể thêm một véc tơ kiểm tra đầu vào d(t) như sau :

)()(

)()()()(

t Cx t y

t d t Bu t

Ax t x

3.3.2.1 Nhắc lại hình học cơ bản

Hình hình học đi cùng với thuyết thực hiện tối thiểu rất đơn giản và nổi tiếng Có 2 không gian con quan trọng trong không gian trạng thái (Rn

) là: Xc là không gian con điều khiển được và Xō là không gian không quan sát được Không gian con Xc là không gian con nhỏ nhất, nó chứa đựng các đáp ứng trạng thái (x(0)=0) khi đưa vào đầu vào mô hình các véc tơ liên tục từng đoạn (u(t)) Không

Hệ thống

ŷŷe

ûûe

gian con Xō là không gian con lớn nhất chứa mọi tín hiệu liên tục từng đoạn đƣợc đƣa vào đầu vào hệ thống (cả d(t)) mà không thu đƣợc đáp ứng đầu ra

Với x(0) = 0 mọi đáp ứng trạng thái có thể đƣợc phân tích thành tổng của 2 véc tơ tín hiệu trực giao, một ở trong Xco  (Xc Xō) Xc và một ở trong Xco Các tín hiệu trong Xco quyết định hoàn toàn kết quả vào – ra của mô hình Nếu U là một ma trận cơ sở trực chuẩn của Xco thì

.

x(t) = UTAUx(t) + UTBu(t) + d(t)

.

y(t) = CUx(t)

là mô hình giảm bậc nhỏ với đặc điểm vào – ra giống nhƣ hệ (3.1)

Hình 3.2 Sơ đồ không gian trạng thái của hệ thống

X(t)  (x1(t), , xm(t)) Với mọi khoảng thời gian, ta có X(t) Rnxm và Xc có thể đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

Mệnh đề 3.1: Không gian con điều khiển đƣợc Xc là không gian con có chiều nhỏ nhất chứa đựng ảnh của véc tơ trạng thái - Im(X(t)) với t(0,T), T>0

Chứng minh: Với tín hiệu thử là dạng xung X(t) = eAtB thì việc chứng minh định

đề là rất đơn giản

B

A Đo đáp ứng trạng thái x(0)=0 d(t)=0

3.3.4.1 Đặc điểm của Xō

Khi chúng ta đưa một chuỗi tín hiệu thử di(t) như được chỉ ra trong hình 2.3, với 1in được cho dưới dạng di

(t) = ei(t), với ei là các cột thứ i của ma trận vuông (n x n) và (t) là là các hàm xung đơn vị vô hướng

Đặt y1

(t), , ym(t) là các đáp ứng đầu ra tương ứng của các tín hiệu thử trên, ta sẽ

có Y(t)  (y1(t), , ym(t))

Với mọi khoảng thời gian thì Y(t) Rrxn và đặc tính của Xō như sau:

Mệnh đề 3.2: Không gian con không quan sát được Xō là không gian con có chiều lớn nhất, nó chứa đựng ker(Y(t))- nhân của Y(t) với t(0,T), T > 0

Chứng minh: Với tín hiệu thử là dạng xung Y(t) = CeAt

thì việc chứng minh định

đề là rất đơn giản

Chú ý: Vì ker(Y(t)) = im(YT(t)), nên cũng đúng khi cho rằng Xō 

là không gian có chiều nhỏ nhất chứa đựng Im(YT(t)) với t(0,T), T > 0

Hình 3.3: Hệ thống khi đưa vào tín hiệu thử x(0) = 0

3.3.3 Phân tích thành phần chính

Các kết quả của phần này cung cấp cho chúng ta kỹ thuật phân tích sẽ được

sử dụng trong các phần sau của luận văn này Tổ chức của phần này sẽ được trình bày trong các phần riêng lẻ theo sự hiểu biết riêng của tác giả

Cho ánh xạ F: RRnxm là một ánh xạ tuyến tính liên tục từng đoạn, được cho dưới dạng ma trận F(t) Có thể coi F(t) như là một tập của m véc tơ tín hiệu có n giá trị, nghĩa là mỗi một cột tương ứng với một véc tơ tín hiệu trong không gian

Đo đáp ứng đầu ra