tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật ứng dụng giải thuật di truyền mờ cho bài toán quản lý hàng đợi tích cực (AQM) trong viễn thông

Chương 3: Tiếp tục giải quyết bài toán trong chương 2 bằng việc sử dụng mô hình mới kết hợp giữa giải thuật di truyền và logic mờ,đưa ra đánh giá thông qua các kết quả đạt được so với cá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Người HD khoa học: PGS.TS Lê Bá Dũng

Người phản biện 1: PGS TS Nguyễn Hữu Công Người phản biện 2: PGS TS Nguyễn Quốc Trung

Luận văn này sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ ngành Kỹ thuật điện tử tại Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên ngày … tháng … năm 2010.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu - Đại học thái Nguyên.

- Thư viện trường Đại học kỹ thuật công nghiệp

Ngành Điện tử viễn thông luôn phải đáp ứng một nhiệm vụ quantrọng là cung cấp các dịch vụ truyền thông tin xa một cách mềm dẻo,nhanh chóng và chính xác nhất Để đáp ứng nhiệm vụ trên, vấn đềquản lý hàng đợi tích cực luôn được đặt lên hàng đầu Tuy nhiên việcquản lý hàng đợi tích cực luôn là vấn đề phức tạp Xuất phát từ cácvấn đề trên, tác giả chọn đề tài: “Ứng dụng giải thuật di truyền mờcho bài toán quản lý hàng đợi tích cực (AQM) trong viễn thông” Nội dung chính của luận văn này tập trung vào nghiên cứu việcxây dựng phương pháp để giải quyết các bài toán điều khiển lưulượng thông minh trên mạng viễn thông hiện tại Nhằm giải quyếtđược vấn đề tránh tắc nghẽn và tối ưu hoá thời gian truyền nhận cácgói dữ liệu thông qua các router trên mạng Cấu trúc luận văn baogồm các chương sau:

Chương 1: Trình bày về các kiến thức tổng quan liên quan tới các

lĩnh vực mà đề tài cần sử dụng bao gồm: TCP và AQM, giải thuật ditruyền Mô hình kết hợp giữa giải thuật di truyền và logic mờ nhằmgiải quyết một số bài toán phức tạp Đánh giá được ưu điểm nổi trộicủa giải thuật di truyền mờ nhằm tối ưu hoá luật mờ và vét cạn cáclời giải

Chương 2: Tìm hiểu về bài toán quản lý hàng đợi tích cực

(AQM) trong mạng viễn thông hiện nay Những phương pháp vàthuật toán đã và đang được sử dụng, đánh giá được ưu nhược điểmcủa từng phương pháp Minh chứng về những điểm yếu trong AQMhiện nay Đề xuất một phương pháp sửa đổi thuật toán điều khiển tắcnghẽn nhằm đạt kết quả tốt hơn

Chương 3: Tiếp tục giải quyết bài toán trong chương 2 bằng việc

sử dụng mô hình mới kết hợp giữa giải thuật di truyền và logic mờ,đưa ra đánh giá thông qua các kết quả đạt được so với các phươngpháp trước đó Từ đó đưa ra kết luận có thể hay không thể áp dụngphương pháp này cho các thiết bị viễn thông và internet hiện tại Cuối cùng là kết luận và hướng phát triển của đề tài

án này tập trung vào những thách thức cực kỳ quan trọng với Internetngày nay và mô tả việc điều khiển tắc nghẽn hiện nay như thế nào và

kỹ thuật AQM có thể được sửa đổi để giải quyết điều đó

1.2 Tổng quan về AQM và TCP

1.2.1 TCP và quản lý hàng đợi tích cực (AQM)

TCP sử dụng một bộ các giải thuật điều khiển tắc nghẽn: Khởiđầu chậm (slow start), tránh tắc nghẽn (congestion avoidance),truyền lại nhanh (fast retransmission) và khôi phục nhanh (fastrecovery) Những giải thuật này rất quan trọng và cùng kiến tạo nên

bộ khung cho cơ chế kiểm soát nghẽn của TCP

Hình 1.1 Ví dụ về hành vi cửa sổ tắc nghẽn TCP

Hình 1.1 minh hoạ về phương thức TCP slow-start và hoạt động

tránh tắc nghẽn Như hình vẽ cho thấy, đầu tiên TCP bắt đầu với mộtcửa sổ tắc nghẽn 1 Cửa sổ đó được tăng gấp đôi sau mỗi RTT Khi

cửa sổ tắc nghẽn đạt SSTHRESH, TCP làm chậm tốc độ tăng của nó.

Cuối cùng, khi tốc độ truyền của kết nối vượt quá kết nối cổ chai, cácgói bị mất Sự mất gói này được phát hiện bởi TCP sau đó phản ứngbằng cách giảm một nửa cửa sổ tắc nghẽn Như hình vẽ cho thấy, saukhi phục hồi từ tắc nghẽn, bên gửi TCP bước vào giai đoạn tránh tắc

nghẽn vì thế cửa sổ được tăng tuyến tính với tốc độ mỗi segment trênRTT Trong trạng thái ổn định, TCP dao động giữa cửa sổ W vàW/2, ở đây W phụ thuộc vào khả năng của mạng và số lượng các kếtnối hiện đang hoạt động trong kết nối cổ chai

Hình 1.3 Các hành vi mất gói/đánh dấu gói của Red

Xác suất mất gói/đánh dấu của Red như là một hàm của chiều dàihàng đợi trung bình (hình 1.3) Như hình vẽ cho thấy, khi chiều dàihàng đợi trung bình vượt quá ngưỡng tối thiểu (minth), các gói bị mấthoặc đánh dấu ngẫu nhiên bằng một xác suất cho trước Xác suất là 0khi chiều dài hàng đợi trung bình là nhỏ hơn hoặc bằng minth và tăngtuyến tính tới maxp khi chiều dài hàng đợi trung bình gần ngưỡng tối

đa (maxth) Khi chiều dài hàng đợi trung bình vượt quá maxth, tất cảcác gói dữ liệu bị mất hoặc đánh dấu

1.3 Giải thuật di truyền

1.3.1 Giới thiệu

Giải thuật di truyền (Genetic Algorythm) do D.E Goldberg đềxuất, được L Davis và Z Michalevicz phát triển lần đầu ở Hà Lantrên cơ sở các thuật toán tiến hoá, được xây dựng trên cơ sở họcthuyết Darwin cho chọn lọc tự nhiên

Thuật toán di truyền là thuật toán tối ưu ngẫu nhiên dựa trên cơchế chọn lọc tự nhiên và tiến hóa di truyền Nguyên lý cơ bản củathuật toán di truyền đã được Holland giới thiệu vào năm 1962 Thuật giải di truyền cung cấp một cách tiếp cận cho việc học dựavào mô phỏng sự tiến hóa Các cá thể của quần thể hiện tại khởinguồn cho quần thể thế hệ kế tiếp bằng các hoạt động lai ghép và độtbiến ngẫu nhiên sau đó là sinh sản và chọn lọc lấy các mẫu tốt nhấtsau các quá trình “đấu tranh sinh tồn” và “tiến hoá” sinh học

1.3.3 Cấu trúc một giải thuật di truyền

Một giải thuật đơn giản cho những kết quả tốt trong nhiều bàitoàn thực tế bao gồm ba thao tác: sinh sản, lai ghép và đột biến Bahoạt động sinh sản, lai ghép và đột biến được chứng minh là rất đơngiản và hiệu quả trong việc giải quyết một số vấn đề tối ưu hoá quantrọng Ngoài ra, còn có phép toán chọn lọc, nhằm lọc ra các kết quảtốt nhất trong quần thể

1.3.4 Ứng dụng của giải thuật di truyền

Thuật toán di truyền đã chứng tỏ tính hữu ích của nó khi đượcứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống

1.4 Giải thuật di truyền mờ

1.4.1 Giới thiệu

Trong chương này, trình bày về mô hình kết hợp giữa giải thuật ditruyền và logic mờ để tận dụng các ưu điểm của mỗi kỹ thuật đơn lẻ

1.4.2 Giải thuật di truyền kết hợp với logic mờ

Việc kết hợp giữa giải thuật di truyền và logic mờ là một lĩnhvực mới và ít được khai thác thác hơn so với việc kết hợp giữa giảithuật di truyền hoặc logic mờ với mạng nơron

Giải thuật di truyền và logic mờ có một vài đặc điểm chung vàriêng Cả hai kỹ thuật đều thích hợp với việc xử lý bộ dữ liệu dùngcho các hệ thống phi tuyến Sử dụng hai kỹ thuật này giúp cải tiếnhiệu suất của hệ thống: tối ưu kết quả và tốc độ thực hiện

1.4.3 Tổng kết và kết luận

Logic mờ có một số ưu điểm trong việc cải tiến các hệ thốngthông minh cho phép biểu diễn minh bạch tri thức dưới dạng nhữngcông thức rõ ràng hoặc dưới dạng các biểu diễn toán học ngắn gọn Giải thuật di truyền hoạt động tốt trong những môi trường tương

tự với những môi trường dùng cho các hệ thống mờ, nhằm giải quyếtcác bài tán phi tuyến hoặc những bài toán đòi hỏi hiệu suất cao Giải thuật di truyền cho phép kết hợp các luật cố định với nhữngtiêu chuẩn khác: kỹ thuật kết hợp di truyền mờ là rất có giá trị trongviệc đẩy mạnh cá ứng dụng thực tế của hệ thống này

CHƯƠNG 2

BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM)

TRONG VIỄN THÔNG

2.1 Giới thiệu

Quản lý hàng đợi là là một nhóm tổ hợp các phương pháp quản lý

bộ đệm và lập lịch, đây là một trong những cơ chế cung cấp chấtlượng dịch vụ (QoS) Quản lý bộ đệm quyết định việc phân phối bộđệm và loại bỏ các gói đến theo một cách thức được quyết địnhtrước Trong khi đó lập lịch cho phép quản lý băng thông hay nóicách khác là nó quyết định xem gói nào sẽ được đưa ra từ hàng đợinào Do đó có rất nhiều thuật toán được đưa ra trong kĩ thuật quản lýhàng đợi Đối với quản lý bộ đệm có các thuật toán : RED, Blue,PBS (chia sẻ bộ đệm từng phần), cắt-đuôi (Drop-Tail)….quá trìnhlập lịch gồm: RR, WFQ, EDF (Earliest Deadline First)… Quản lýhàng đợi dựa trên luồng gồm RED và xRED, dựa trên tốc độ gồm:Blue, PI, KT, Bat, Green, Purple Trong chương này chủ yếu đi sâuvào các phương pháp quản lý bộ đệm hiệu quả là RED và Blue và đềxuất Fuzz-GA-AQM

Hình 2.1 Sự phát triển của các thuật toán AQM theo thời gian

2.2 Kỹ thuật chống mất gói trong mạng TCP/IP tắc nghẽn

2.2.1 Giới thiệu

Như được mô tả trong Chương 1, một trong những lý do tỷ lệ mấtgói cao là sự thất bại của mạng nhằm cung cấp thông báo tắc nghẽnsớm cho các nguồn Điều này đã dẫn đến các kiến nghị về AQM nhưRED và các biến thể của nó [46, 67] Trong khi RED chắc chắn

nhanh hơn so với cắt-đuôi truyền thống, chương này cho thấy rằngrất khó để tham số hoá hàng đợi RED để thực hiện tốt theo các kịchbản khác nhau của tắc nghẽn Để phát hiện sớm hoạt động, thông báotắc nghẽn phải được cung cấp với tỷ lệ đủ lớn để ngăn ngừa mất gói

do tràn bộ nhớ đệm, đồng thời đủ nhỏ để ngăn ngừa sự kém khảdụng của kết nối cổ chai

Chương này chứng tỏ sự kém hiệu quả của thuật toán quản lýhàng đợi RED hiện tại và cho thấy hàng đợi RED làm thế nào có thể

tự tham số hoá tuỳ thuộc vào lưu lượng tải để giảm mất gói và duy trì

độ khả dụng kết nối cao

2.2.2 Quản lý hàng đợi tích cực (AQM)

Một trong những điểm yếu của RED và một số các đề xuất lậplịch AQM là thông báo tắc nghẽn không trực tiếp phụ thuộc vào sốlượng kết nối được ghép kênh qua tuyến Để phát hiện sớm hoạtđộng trong các mạng tắc nghẽn, thông báo tắc nghẽn phải được gửi

đủ tới nguồn nhằm giảm tốc độ gửi đến mức cần thiết để tránh mấtgói do tràn bộ nhớ đệm Ngược lại, hàng đợi RED cũng phải ngănngừa thông báo tắc nghẽn từ chính chúng tới một số nguồn để tránhtrường hợp kết nối cổ chai trở thành kém khả dụng Ngoại trừ việcsửa đổi thuật toán RED là tích cực hơn, hàng đợi RED bị thoái hoátrong hàng đợi cắt đuôi đơn Phần này xem xét tác động đến lưulượng tải gồm kỹ thuật AQM như RED và đề xuất trên cơ chếthường trực để tối ưu hóa hiệu suất

2.2.3 Điều khiển tắc nghẽn máy chủ cuối

Trong khi hoàn thành thiết kế cơ chế AQM như ARED có thểgiúp giảm bớt mất gói, kỹ thuật đơn lẻ như vậy không thể đảm bảo tỷ

lệ mất gói thấp, đặc biệt là khi lưu lượng tải biến động lớn Quản lýhàng đợi thông minh phải được kết hợp với điều khiển tắc nghẽnmáy chủ cuối thông minh để đạt được độ khả dụng cao với số lượngmất gói tối thiểu

2.2.4 Điều chỉnh hiệu suất tối ưu

Hai phần trước đã cho thấy 2 cơ chế riêng lẻ, AQM và cơ chếmáy chủ cuối có thể được dùng để giảm mất gói đáng kể trong mạng

Khi sử dụng cùng nhau, chúng tạo thành sự kết hợp cộng tác có thểcho phép mạng đạt được hiệu quả rất cao ngay cả trong thời gian tắcnghẽn nặng

2.2.5 Kết luận và công việc tương lai

Chương này đã cho thấy cách thức AQM và thuật toán điều khiểntắc nghẽn máy chủ cuối có thể được thiết kế để đem lại hiệu quả loạitrừ mất gói trong các mạng tắc nghẽn

Việc cải thiện các thuật toán kiểm soát tắc nghẽn máy chủ cuốicũng đang được khảo sát Trong khi tăng dựa trên băng thông cungcấp cho máy chủ cuối với giá trị giới hạn trên để tích cực nhằm đạtđược tốc độ truyền, nó thường muốn nguồn thay đổi tốc độ gửi chậmhơn hoặc không gửi gói nào khi gần điểm tắc nghẽn để tránh sự daođộng trong thuật toán cửa sổ của TCP [23, 94, 95]

2.3 BLUE phương pháp mới cho AQM

2.3.1 Giới thiệu

Một trong những kết quả nổi bật trong phần 2.2 là ngay cả vớiECN, quản lý hàng đợi RED vẫn không thể loại trừ mất gói vớilượng lớn tải hoạt động Gói mất chỉ có thể được loại trừ khi sửa đổicác thuật toán điều khiển tắc nghẽn TCP Phần này thể hiện điểm yếu

cơ bản của RED và tất cả kỹ thuật AQM khác đã biết Trong khiRED có thể đạt được điểm hoạt động lý tưởng, nó chỉ có thể làmđiều đó khi có đủ không gian đệm và được tham số đúng [33, 93].Nổi bật hơn các thí nghiệm ở trên, phần này đề xuất một thuậttoán AQM cơ bản khác, gọi là BLUE, trong đó sử dụng độ mất gói

và lịch sử khả dụng của kết nối để quản lý tắc nghẽn BLUE duy trìmột xác suất duy nhất, mà nó dùng để đánh dấu (hoặc loại bỏ) cácgói tin khi chúng xếp hàng Nếu hàng đợi liên tục mất gói do tràn bộđệm, BLUE tăng xác suất đánh dấu, do đó tăng tốc độ gửi thông báotắc nghẽn phản hồi Ngược lại, nếu hàng đợi rỗng, hoặc nếu kết nốirỗi, BLUE sẽ giảm xác suất đánh dấu Cuối cùng, bằng cách sử dụng

cơ chế dựa trên BLUE, phần này đề xuất và đánh giá SFB, một cơchế mới cho hiệu quả và công bằng với số lượng lớn các luồng

2.3.2 Sự hạn chế của RED

Như được mô tả trong phần 2.2, một trong những vấn đề lớn nhấtvới các thuật toán điều khiển tắc nghẽn của TCP đối với hàng đợicắt-đuôi là nguồn giảm tốc độ truyền chỉ sau khi phát hiện mất góitin do tràn hàng đợi RED khắc phục vấn đề này bằng cách phát hiệnsớm khi mới chớm tắc nghẽn và thông báo tắc nghẽn đến máy chủcuối, cho phép chúng giảm tốc độ truyền trước khi xảy ra tràn hàngđợi

Một cách để giải quyết vấn đề này là sử dụng một lượng lớnkhông gian đệm cho hàng đợi RED Trong khi RED có thể đạt đượcđiểm hoạt động lý tưởng, chỉ khi có lượng không gian đệm đủ lớn vàđược tham số chính xác

2.3.3 Blue

Để khắc phục những hạn chế của RED, phần này đề xuất và đánhgiá một thuật toán quản lý hàng đợi cơ bản khác gọi là BLUE Sửdụng cả mô phỏng và thí nghiệm, BLUE cho thấy có thể khắc phụcnhiều hạn chế của RED RED đã được thiết kế với mục tiêu (1) giảmthiểu mất gói tin và trễ hàng đợi, (2) tránh đồng bộ hóa toàn cục củanguồn, (3) duy trì độ khả dụng kết nối cao, và (4) loại bỏ độ dốcchống lại nguồn truyền loạt Phần này cho thấy BLUE cải thiện hiệusuất của RED trong tất cả các khía cạnh Các kết quả cũng cho thấyBLUE hội tụ tới điểm hoạt động lý tưởng ngay cả khi được sử dụngvới bộ đệm rất nhỏ

Thuật toán Blue

Ý tưởng chính phía sau BLUE là thực hiện quản lý hàng đợi dựatrực tiếp trên gói mất và kết nối khả dụng hơn là chiều dài hàng đợitức thời hoặc trung bình Điều này trái ngược với tất cả các đề xuấtAQM đã biết mà nó sử dụng một số hình thức chiếm dụng hàng đợitrong quản lý tắc nghẽn BLUE duy trì một xác suất duy nhất, pm, mà

nó sử dụng để đánh dấu (hoặc loại bỏ) các gói tin khi chúng đangxếp hàng Nếu hàng đợi liên tục mất gói do tràn bộ đệm, BLUE tăng

pm, do đó tăng tốc độ gửi thông báo tắc nghẽn phản hồi

Hình 2.30 Thuật toán Blue

Nếu hàng đợi trống, hoặc nếu kết nối rỗi, BLUE giảm xác suấtđánh dấu Thời gian đóng băng (freeze_time) tham số này xác địnhkhoảng thời gian tối thiểu giữa hai cập nhật thành công pm Các tham

số khác được sử dụng là, delta, xác định lượng pm tăng lên khi hàngđợi tràn, hoặc giảm đi khi kết nối rỗi Lưu ý rằng có vô số cách thức

pm có thể được quản lý Trong khi BLUE có vẻ cực kỳ đơn giản, nócung cấp sự cải tiến hiệu suất đáng kể ngay cả khi so sánh với mộthàng đợi RED đã được tối ưu tham số

2.3.4 Blue cân bằng ngẫu nhiên (SFB)

Phần này mô tả và đánh giá BLUE công bằng ngẫu nhiên (SFB),một kỹ thuật mới để bảo vệ các luồng TCP chống lại các luồngkhông đáp ứng bằng cách sử dụng thuật toán BLUE SFB có khảnăng mở rộng cao và thực hiện công bằng sử dụng số trạng thái cực

kỳ nhỏ và lượng nhỏ không gian đệm

2.4 Kết luận và công việc tương lai

Phần này đã chứng tỏ sự yếu kém vốn có của thuật toán AQMhiện tại sử dụng sự chiếm dụng hàng đợi trong các thuật toán củachúng Nhằm giải quyết vấn đề này, một thuật toán quản lý hàng đợi

cơ bản khác được gọi là BLUE đã được thiết kế và đánh giá

Cuối cùng, sự phát triển của một thuật toán quản lý hàng đợiBLUE “nâng cao” tương tự như RED “nâng cao” [38, 39] đangđược nghiên cứu Bằng cách sử dụng BLUE, các bộ đệm yêu cầu cầnthiết để hỗ trợ các dịch vụ phân biệt có thể được giảm đi đáng kể

+ Sớm phát hiện khả năng tắc nghẽn từ nguồn để có thể mấtgói/đánh dấu các gói.

+ Cho phép luồng dữ liệu truyền ổn định

+ Loại bỏ hiệu quả các quá trình với hàng đợi đã đầy và đã tồn tạivới thời gian dài

+ Cho phép có thể thực hiện nhịp nhàng giữa thông lượng lớn vớitrễ xảy ra khi hàng đợi nhỏ

Thuật toán RED có thể cho phép thoả mãn việc tối ưu hoá cáchoạt động của router Một số đặc tính tốt của RED có thể kể ra nhưsau:

+ Rất nhậy với các cấu hình hệ thống