Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật Nghiên Cứu Cải Thiện Hiệu Năng Hệ Thống Thông Tin Vô Tuyến Sử Dụng Kỹ Thuật Chuyển Tiếp.pdf

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG vă Luận án tiến sĩ ận Lu Lê Thị Thùy Dương n GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG IoT VỚI GIAO THỨC CoAP ạc th sĩ nh Ki tế LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023 ii BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Lê Thị Thùy Dương Luận án tiến sĩ ận Lu n vă GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG IoT VỚI GIAO THỨC CoAP ạc th CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG sĩ MÃ SỐ: 9.52.02.08 nh Ki LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT tế NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TSKH HOÀNG ĐĂNG HẢI TS PHẠM THIẾU NGA Hà Nội – 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án “Giải pháp điều khiển tắc nghẽn mạng IoT với giao thức CoAP” cơng trình nghiên cứu tơi, hướng dẫn PGS.TSKH Hoàng Đăng Hải TS Phạm Thiếu Nga Các kết trình bày luận án hồn tồn trung thực khơng xung đột với tác giả khác Các số liệu luận án sử dụng trung thực, phần cơng bố tạp chí khoa học chun ngành với đồng ý cho phép đồng tác giả Người cam đoan n vă ạc th Luận án tiến sĩ ận Lu Lê Thị Thùy Dương sĩ nh Ki tế ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TSKH Hoàng Đăng Hải – Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thơng TS Phạm Thiếu Nga – Đại học xây dựng Hà Nội tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ tơi thực hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thơng có nhận xét khoa học chân thành sâu sắc buổi báo cáo định hướng tiến độ nghiên cứu báo cáo chuyên đề tiểu luận tổng quan Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy cô khoa Viễn thông khoa Đào tạo sau đại học, Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thông giảng dạy Lu giúp đỡ nhiệt tình suốt trình học tập Học viện Bưu viễn thơng ận Luận án tiến sĩ Tơi biết ơn người thân gia đình ln bên tôi, đồng n vă nghiệp, bạn bè động viên để tơi hồn thành luận án th ạc Nghiên cứu sinh sĩ nh Ki Lê Thị Thùy Dương tế iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii DANH MỤC HÌNH VẼ x DANH MỤC CÁC BẢNG xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MẠNG IoT VÀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN 1.1 Tổng quan mạng IoT 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 Khái niệm IoT Các ứng dụng IoT Mơ hình kiến trúc mạng IoT 10 Tóm lược giao thức tầng ứng dụng IoT 11 1.2 Tắc nghẽn nguyên nhân tắc nghẽn 13 Luận án tiến sĩ Các nghiên cứu liên quan cải tiến CoAP tồn 26 tế 1.7 1.8 Hoạt động CoAP 24 Cơ chế điều khiển tắc nghẽn CoAP 25 nh 1.6.1 1.6.2 Giao thức CoAP 24 Ki 1.6 Logic mờ 18 Điều khiển mờ 20 Khả áp dụng điều khiển mờ cho điều khiển tắc nghẽn 22 sĩ 1.5.1 1.5.2 Điều khiển mờ khả áp dụng cho điều khiển tắc nghẽn 18 ạc 1.5 th 1.4.1 1.4.2 1.4.3 Điều khiển vòng hở điều khiển vịng kín 15 Điều khiển dựa cửa sổ điều khiển dựa tốc độ 16 Điều khiển tắc nghẽn mạng IoT 17 n 1.4 Điều khiển tắc nghẽn 15 vă 1.3.1 1.3.2 1.3.3 ận 1.3 Khái niệm tắc nghẽn mạng 13 Nguyên nhân tắc nghẽn mạng 14 Tắc nghẽn mạng IoT 14 Lu 1.2.1 1.2.2 1.2.3 Các nghiên cứu liên quan cải tiến CoAP 26 Những tồn CoAP nghiên cứu liên quan 31 Các tham số đánh giá hiệu giao thức CoAP 34 Kết luận chương 35 CHƯƠNG MƠ HÌNH TRUYỀN CHUỖI GĨI VÀ GIAO THỨC RCoAP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN DỰA VÀO TỐC ĐỘ 37 2.1 Mơ hình phân tích cho truyền chuỗi gói tin cậy với CoAP 37 2.1.1 Sơ đồ luồng tin kết nối đầu cuối CoAP mạng IoT 37 2.1.2 Mơ hình điều khiển tắc nghẽn cho CoAP 38 2.1.3 Tính tốn tốc độ phát chuỗi gói tin CoAP 40 2.2 Đề xuất giao thức RCoAP 45 2.2.1 Cơ chế hoạt động điều khiển tắc nghẽn RCoAP 45 2.2.2 Các trạng thái giao thức RCoAP 47 2.2.3 Các thuật toán giao thức RCoAP 48 2.3 Tính tốn hiệu giao thức RCoAP 53 iv 2.3.1 Độ trễ gói tin 53 2.3.2 Tính tốn gói tin truyền 54 2.3.3 Thông lượng 54 2.3.4 Các tham số hiệu khác 54 2.4 Kết mô cho RCoAP 55 2.4.1 Thiết lập môi trường mô 55 2.4.2 Kịch 2.1 56 2.4.3 Kịch 2.2 58 2.4.4 Kịch 2.3 61 2.5 Tổng hợp thay đổi cải tiến RCoAP so với CoAP 66 2.6 Kết luận chương 67 CHƯƠNG GIAO THỨC FCoAP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN DỰA VÀO HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ 69 3.1 Giải pháp điều khiển tắc nghẽn sử dụng hệ điều khiển mờ 69 Luận án tiến sĩ ận Lu 3.1.1 Sơ đồ giải pháp tham số điều khiển 69 3.1.2 Phát sớm tắc nghẽn 70 3.1.3 Tính tốn băng thơng cổ chai tải lưu lượng chuỗi gói 71 3.1.4 Lựa chọn đầu vào cho hệ điều khiển mờ 72 3.1.5 Lựa chọn đầu cho hệ điều khiển mờ 75 vă 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển mờ 76 n 3.2.1 Mờ hóa 76 3.2.2 Cơ sở luật mờ 79 3.2.3 Mô tơ suy diễn mờ 80 3.2.4.Giải mờ, điều chỉnh tốc độ phát, cập nhật RTO 81 ạc th 3.3 Giao thức FCoAP cho điều khiển tắc nghẽn mạng 81 sĩ 3.3.1 Cơ chế điều khiển FCoAP 81 3.3.2 Các trạng thái giao thức FCoAP 84 3.3.3 Các thuật toán giao thức FCoAP 85 Ki nh 3.4 Tính tốn hiệu giao thức FCoAP 88 tế 3.4.1 Độ trễ đầu cuối FCoAP 88 3.4.2 Thông lượng FCoAP 90 3.5.3 Các thông số hiệu khác 90 3.5 Kết mô đánh giá FCoAP 90 3.5.1 Thiết lập môi trường mô cho FCoAP 90 3.5.2 Kịch 3.1: Kiểm tra hoạt động hệ điều khiển mờ 92 3.5.3 Kịch 3.2: So sánh hiệu FCoAP CoAP 94 3.5.4 Kịch 3.3: Hiệu FCoAP CoAP có lưu lượng UDP thay đổi 96 3.5.5 Kịch 3.4: Hiệu FCoAP CoAP có lưu lượng CoAP hỗn hợp 98 3.5.6 Kịch 3.5: FcoAP CoAP có lưu lượng TCP/UDP hỗn hợp 100 3.5.7 Kịch 3.6: So sánh FCoAP với CoAP, CoCoA, CoCoA+ 101 3.6 So sánh FCoAP với RCoAP 103 3.7 Kết luận chương 109 KẾT LUẬN 110 A Đóng góp luận án 111 B Hướng phát triển tiếp 111 v TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 PHỤ LỤC 121 n vă ạc th Luận án tiến sĩ ận Lu sĩ nh Ki tế vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FCS Fuzzy-RED Fuzzy Control System Fuzzy Random Early Drops GW H2E H2M HTTP ICN Gateway Human to Environment Human to Machine Hypertext Transfer Protocol Information Concentric Networks Insitute of Electrical and Electronics Engineers Internet Engineering Task Force ABF ACK AIAD AIMD AMQP BBR BDP-CoAP n vă CoAP_R ận BEB BUNCON CoAP Lu FASOR Tiếng Anh Ipv6 protocol over low power wireless PAN Adaptive-boundary Backoff Factor Acknowledgement Additive Increase / Additive Decrease Additive Increase Multiplicative Decrease Advanced Message Queuing Protocol Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time Bandwidth-Delay Product CoAP Binary Exponential Backoff Basic Uncconfirmable Constrained Application Protocol Rate-Based Congestion Control Mechanism in CoAP Simple Congestion Control Advanced Center-of-Gravity Confirmable Congestion Window Domain Name System European Telecommunications Standards Institute Fast-Slow RTO Tăng cộng giảm nhân Giao thức xếp hàng tin nhắn nâng cao Tích băng thơng cổ chai thời gian truyền quay vòng Bản cải tiến CoAP có sử dụng tích băng thơng – độ trễ Lùi theo hàm mũ nhị phân Luồng CoAP chế độ khơng tin cậy Giao thức ứng dụng có ràng buộc Bản cải tiến CoAP có chế điều khiển tắc nghẽn dựa vào tốc độ Bản cải tiến CoAP có chế điều khiển tắc nghẽn cải tiến đơn giản Trung bình trọng tâm Gói tin truyền tin cậy Cửa sổ tắc nghẽn Hệ thống phân giải tên miền Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu nh Ki tế IETF Gói tin báo nhận Tăng cộng/Giảm cộng sĩ IEEE Tiếng Việt Giao thức IPv6 với mạng vùng hẹp khơng dây cơng suất thấp Hệ số lùi thích nghi ạc CoG CON CWDN DNS ETSI th CoCoA Luận án tiến sĩ Từ viết tắt 6LoWPAN Bản cải tiến CoAP sử dụng tính RTO nhanh chậm Hệ điều khiển mờ Loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm sử dụng điều khiển mờ Trạm cửa ngõ Truyền tin người – với môi trường Truyền tin người - với máy Giao thức truyền tải siêu văn Mạng tập trung thông tin Viện kỹ sư điện điện tử Tổ chức chuyên trách kỹ thuật Internet vii ITU-T M2H M2M MAC MQTT NON PBF Truyền tin máy - người Truyền tin máy với máy Điều khiển truy nhập môi trường Giao thức truyền tải từ xa hàng đợi tin Gói tin truyền không tin cậy Hệ số xác suất chế lùi Giao thức thích nghi tốc dộ Giao thức điều khiển tốc độ thích nghi Bản cải tiến CoAP điều khiển tắc nghẽn dựa vào tốc độ Loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm Bản tin báo hủy kết nối thiết lập Chuyển trạng thái đại diện tế User Datagram Protocol Extensible Markup Language Extensible Messaging and Presence Protocol Thời gian chiều tương đối Định thời phát lại Thời gian quay vòng Giao thức điều khiển truyền tải nh relative one-way trip time Retransmission Timeout Round Trip Time Transmission Control Protocol TCP Friendly Rate Control Tiêu chuẩn Internet tổ chức IETF Ki XMPP Tổ chức viễn thông quốc tế - Lĩnh vực tiêu chuẩn viễn thông sĩ UDP XML Internet vạn vật Giao thức Internet Khoảng thời gian gói tin liên tiếp Tổ chức viễn thông giới ạc TFRC th ROTT RTO RTT TCP Random Early Drop Reset Representational State Transfer Request for Comments n RFC vă RED RES REST ận RCoAP Lu RAP RCAP Internet of Things Ỉnternet Protocol Inter-packet interval International Telecommunication Union International Telecommunication Union – Telecomunication Standarization Sector Machine to Human Machine to Machine Medium Access Control Message Queue Telemetry Transport Non-confirmable Probability of Backoff Factor Rate Adaptation Protocol Rate Control Adaptive Protocol Rate-based CoAP Luận án tiến sĩ IoT IP IPI ITU Giao thức điều khiển tốc độ thân thiện với TCP Giao thức liệu người dùng Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng Giao thức diện nhắn tin mở rộng viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ý nghĩa Ký hiệu TB Tmin B(S) BDP(k) BG(k) n ạc th sĩ nh Ki tế Rr(k) RT(k) RT0o RTObackoff RTOinit RTOoverall RTT RTT(k) RTTm(k) vă P Pi R R(k) Rmax ận Nk Lu BW(k) BWmax(k) C(S) C_Degree(k) D D(S) D0 di DTB N n(k) nACK Thông lượng đo thời điểm k Hàm thông lượng, hàm số S Độ biến thiên tuyệt đối RTT Độ biến thiên tương đối RTT Thông lượng tức thời luồng tin khoảng thời gian T(k-1,k) Thơng lượng trung bình Hiệu số thời gian đến nhỏ lần nhận gói tin CON liên tiếp Độ thuộc Số gói tin xử lý bên nhận khơng có gói Số gói tin inflight Tỷ số thông lượng băng thông cổ chai lớn thời điểm k Băng thông cổ chai thời điểm k Băng thổng cổ chai tối đa kết nối k Số gói tin xử lý bên nhận có gói Cấp độ tắc nghẽn thời điểm k Độ trễ gói tin chiều Hàm độ trễ, hàm số S Độ trễ gói tin chiều gói tin luồng tin Độ trễ gói tin i Độ trễ gói tin trung bình luồng tin Số gói tin phát phiên kết nối Lượng gói tin tích lũy chu kỳ k Số gói tin ACK bên gửi nhận khoảng thời gian khởi tạo Số gói tin phát thành công (nhận ACK) chu kỳ k phiên kết nối Xác suất gói lần phát Xác suất gói sau i lần phát Tốc độ phát Tốc độ phát gói tin bên gửi chu kỳ k Tốc độ tối đa cho phép phụ thuộc vào ứng dụng điều kiện băng thông mạng Tốc độ xử lý bên nhận chu kỳ k Biến thiên RTT Giá trị RTO khởi tạo Giá trị RTO dùng cho chu kỳ lùi Giá trị RTO dùng cho lần phát gói Giá trị RTO tổng thể sử dụng để tính RTOinit Thời gian quay vịng Thời gian quay vịng chu kỳ k RTT đo thực tế thời điểm k Luận án tiến sĩ (k) (S) RTTa RTTr t(k) Đơn vị đo bps bps ms Ms bps bps ms gói gói bps bps gói ms ms ms ms ms gói gói gói gói bps bps bps bps ms ms ms ms ms ms ms ms