ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHO NÚT MẠNG.pdf

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHO NÚT MẠNG Số hợp đồng: 2019.01.76 / HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Kim Quốc Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Nguyễn Tất Thành Thời gian thực hiện: tháng TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc - Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHO NÚT MẠNG Số hợp đồng : 2019.01.76 /HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Kim Quốc Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Nguyễn Tất Thành Thời gian thực hiện: tháng Các thành viên phối hợp cộng tác: STT Họ tên Cơ quan công tác Chuyên ngành ii Ký tên TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Sản phẩm thực đạt Sán phẩn đăng ký thuyết minh (1) 01 Bài báo cáo tổng kết đề tài (1) 01 Bài báo cáo tổng kết đề tài (2) 01 Bài báo quốc tế (2) 01 Bài báo quốc tế i MỤC LỤC TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU i MỤC LỤC ii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ x DANH MỤC BẢNG BIỂU xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THÔNG TẠI NÚT MẠNG 1.1 Truyền thông mạng TCP/IP .5 1.1.1 Mơ hình truyền thơng mạng TCP/IP 1.1.2 Mô hình tốn học TCP/IP 1.1.3 Tắc nghẽn mạng TCP/IP .8 1.1.4 Kiểm soát tắc nghẽn giao thức TCP 1.1.5 Kiểm soát tắc nghẽn nút mạng 1.1.6 Quản lý hàng đợi tích cực nút mạng 10 1.1.7 Kỹ thuật thông báo tắc nghẽn rõ ràng 11 1.2 Phân tích đánh giá chế quản lý hàng đợi tích cực 13 1.2.1 Các chế AQM dựa chiều dài hàng đợi 13 1.2.2 Các chế AQM dựa tải nạp 15 1.2.3 Các chế AQM dựa chiều dài hàng đợi tải nạp 16 1.3 Tình hình ứng dụng tính tốn mềm quản lý hàng đợi tích cực 18 1.3.1 Cơ chế FEM 18 1.3.2 Cơ chế FCRED 19 1.3.3 Cơ chế FUZZY BLUE 19 1.3.4 Cơ chế DEEP BLUE 19 1.3.5 Cơ chế FREM .20 1.3.6 Cơ chế FUZREM 20 ii 1.4 Kết luận chương .20 CHƯƠNG CẢI TIẾN ĐIỀU KHIỂN TẠI NÚT MẠNG DỰA TRÊN ĐIỀU KHIỂN MỜ 21 2.1 Cơ sở toán học lơ-gíc mờ 21 2.1.1 Tập mờ 21 2.1.2 Các dạng hàm thuộc tập mờ 22 2.1.3 Các thông số đặc trưng cho tập mờ 23 2.1.4 Các phép toán tập mờ 24 2.1.5 Luật hợp thành mờ 25 2.1.6 Giải mờ .27 2.1.7 Điều khiển mờ 27 2.1.8 Hệ mờ Mamdani 29 2.1.9 Hệ mờ Sugeno 29 2.2 Phân tích chế AQM sử dụng điều khiển mờ 29 2.3 Xây dựng mơ hình điều khiển mờ thích nghi AFC cải tiến AQM 31 2.3.1 Mơ hình điều khiển mờ thích nghi AFC 31 2.3.2 Hoạt động điều khiển mờ thích nghi AFC 32 2.3.3 Xác định biến đầu vào đầu cho AFC 33 2.4 Xây dựng điều khiển mờ cho AFC 33 2.4.1 Hệ số đầu vào .33 2.4.2 Mờ hóa đầu vào 34 2.4.3 Hệ luật sở suy diễn mờ 34 2.4.4 Giải mờ đầu 34 2.4.5 Xây dựng mơ hình mẫu cho AFC .35 2.4.6 Xây dựng chế thích nghi cho AFC 35 2.5 Cải tiến chế RED điều khiển mờ thích nghi AFC 36 2.5.1 Mờ hóa biến đầu vào FLRED 36 iii 2.5.2 Mờ hóa biến đầu FLRED 38 2.5.3 Xây dựng luật suy diễn mờ cho FLRED 39 2.5.4 Mặt cong suy diễn FLRED 41 2.5.5 Minh họa tính tốn đầu hệ thống mờ FLRED 41 2.6 Cải tiến chế REM điều khiển mờ thích nghi AFC 43 2.6.1 Mờ hóa biến đầu vào FLREM .43 2.6.2 Mờ hóa biến đầu FLREM 46 2.6.3 Xây dựng luật suy diễn mờ cho FLREM 46 2.6.4 Mặt cong suy diễn FLREM 48 2.7 Mô đánh giá hiệu chế FLRED FLREM 49 2.7.1 Cài đặt chương trình cho chế FLRED FLREM 49 2.7.2 Qui trình mơ đánh giá chế AQM .49 2.7.3 Các tiêu chí đánh giá hiệu chế AQM .50 2.8 Đánh giá độ ổn định chế FLRED FLREM .51 2.8.1 Mơ hình mạng đơn máy nhận .51 2.8.2 Kiểm soát hàng đợi chế FLRED FLREM 51 2.8.3 Khả đáp ứng chế FLRED FLREM 54 2.9 Đánh giá hiệu chế FLRED FLREM 56 2.9.1 Mơ hình mạng đa máy nhận .56 2.9.2 Đánh giá tỉ lệ gói tin chế FLRED FLREM 57 2.9.3 Đánh giá mức độ sử dụng đường truyền FLRED FLREM .58 2.10 Kết luận chương 59 CHƯƠNG TÍCH HỢP ĐIỀU KHIỂN MỜ VỚI MẠNG NƠ-RON NÂNG CAO HIỆU NĂNG ĐIỀU KHIỂN TẠI NÚT MẠNG 61 3.1 Tổng quan mạng nơ-ron nhân tạo .61 3.1.1 Đơn vị xử lý (nơ-ron) 61 3.1.2 Liên kết mạng nơ-ron .62 iv 3.1.3 Quá trình học mạng nơ-ron 63 3.2 Mạng nơ-ron truyền thẳng lớp 63 3.2.1 Mạng Perceptron lớp 63 3.2.2 Quá trình học mạng nơ-ron truyền thẳng lớp 64 3.3 Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp 65 3.3.1 Thuật toán học lan truyền ngược 65 3.3.2 Huấn luyện mạng theo thuật toán lan truyền ngược 66 3.4 Tích hợp điều khiển mờ với mạng nơ-ron 67 3.4.1 Nền tảng tích hợp 67 3.4.2 Các mơ hình tích hợp 68 3.5 Xây dựng mơ hình mạng nơ-ron mờ FNN cải tiến AQM 69 3.5.1 Mơ hình mạng nơ-ron mờ FNN 69 3.5.2 Hoạt động điều khiển nơ-ron mờ FNN 70 3.6 Xây dựng điều khiển nơ-ron mờ FNN 70 3.6.1 Tạo nơ-ron mờ cho FNN 70 3.6.2 Xây dựng mạng nơ-ron mờ FNN .71 3.6.3 Huấn luyện mạng nơ-ron mờ FNN .72 3.6.4 Chỉnh định tham số hàm thuộc AFC 72 3.7 Xây dựng thuật toán lan truyền ngược cải tiến IBP 73 3.7.1 Chuẩn hóa số liệu đầu vào 73 3.7.2 Bổ sung hệ số quán tính 74 3.7.3 Điều chỉnh tốc độ học 74 3.7.4 Thuật toán lan truyền ngược cải tiến 75 3.8 Xây dựng chế quản lý hàng đợi tích cực FNNRED .76 3.8.1 Cài đặt chế FNNRED 76 3.8.2 Huấn luyện mạng FNN FNNRED 76 3.8.3 Kết huấn luyện FNN FNNRED 77 v 3.9 Xây dựng chế quản lý hàng đợi tích cực FNNREM 79 3.9.1 Cài đặt chế FNNREM 79 3.9.2 Huấn luyện mạng FNN FNNREM 79 3.9.3 Kết huấn luyện FNN FNNREM 80 3.10 Mô đánh giá hiệu chế FNNRED FNNREM 81 3.10.1 Kiểm soát hàng đợi chế FNNRED FNNREM 82 3.10.2 Khả đáp ứng chế FNNRED FNNREM .84 3.11 Đánh giá hiệu chế FNNRED FNNREM 86 3.11.1 Đánh giá tỉ lệ gói tin chế FNNRED FNNREM 86 3.11.2 Đánh giá sử dụng đường truyền chế FNNRED FNNREM 87 3.12 Kết luận chương 88 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 vi 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 Multiplicative- Tăng cấp số cộng 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 Dropping Probability Xác suất loại bỏ gói ECN Explicit Congestion Notification Thơng báo tắc nghẽn rõ ràng FCRED Fuzzy Control RED Cơ chế mờ cải tiến RED FIFO First In First Out Vào trước trước FIS Fuzzy Inference System Hệ suy luận mờ FL Fuzzy Logic Lơ-gíc mờ FLC Fuzzy Logic Controller Bộ điều khiển mờ FLRED FL Random Early Detection Cơ chế quản lý hàng đợi FLRED Fuzzy Logic Random Exponential Cơ chế quản lý hàng đợi Marking tích cực FLREM AIMD FLREM vii Ký hiệu Diễn giải tiếng Anh Diễn giải tiếng Việt FNN Fuzzy Neural Network Mạng nơ-ron mờ Fuzzy Neural Network Random Cơ chế quản lý hàng đợi Exponential Marking tích cực FNNREM FNNREM Loại bỏ ngẫu nhiên sớm FRED Flow Random Early Detection 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 FLC GREEN GSM Generalized Random Early theo luồng Tránh tắc nghẽn sớm ngẫu nhiên Evasion Network Global System for Mobile 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 LMS Least Mean Square Trung bình bình phương nhỏ MATLAB MATrix LABtory Thí nghiệm ma trận MF Membership Function Hàm thuộc MIMO Multiple-Input Multiple-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu MISO Multiple-Input Single-Output Nhiều đầu vào đầu MLP MultiLayer Perceptron Mạng truyền thẳng nhiều lớp MSS Maximum Segment Size Kích thước phân đoạn tối đa NS2 Network Simulator Phần mềm mô mạng NS2 viii ... Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2019 Tên đề tài: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHO NÚT MẠNG Số hợp đồng : 2019.01.76 /HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn... đợi trung bình điều kiện tình trạng mạng ln thay đổi Do đó, nghiên cứu đề xuất giải pháp điều khiển thông minh cho nút mạng cách kết hợp kỹ thuật tính tốn mềm với phương pháp điều khiển đại nhằm... cực tiêu biểu áp dụng điều khiển mờ để cải tiến chế Qua đó, đề tài đưa vấn đề tồn chế quản lý hàng đợi tích cực có đề xuất ý tưởng xây dựng mơ hình điều khiển mờ thích nghi cho toán cải tiến chế