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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG PHƢƠNG 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 Ngƣời HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG THÁI NGUYÊN, 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP GIẢM BẬC MÔ HÌNH TRONG XÂY DỰNG CẤU TRÚC MẠNG QUẢN LÝ VIỄN THÔNG Học viên: NGUYỄN ANH TUẤN Mã số: Ngƣời HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG Thái Nguyên, 2011 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Hữu Công HỌC VIÊN Nguyễn Anh Tuấn KHOA SAU ĐẠI HỌC BGH TRƢỜNG ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – PGS.TS. Nguyễn Hữu Công, ngƣời đã hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hƣớng 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 - Trƣờng 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 đƣợc sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp. Tác giả Nguyễn Anh Tuấn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục các bảng biểu Danh mục các hình vẽ PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Ý nghĩa của đề tài 1 3. Đối tƣợng, mục đích, phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI 3 1.1. Giới thiệu chung 3 1.2. Quá trình truyền dữ liệu trên mạng và vấn đề tắc nghẽn 3 1.2.1. Truyền dữ liệu trên một hệ thống mạng 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. Sự cần thiết phải quản lý hàng đợi 8 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 1.4. Tổng kết chƣơng 10 Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI 11 2.1. Giới thiệu 11 2.2. Cơ chế thông báo tắc nghẽn 11 2.2.1 Khái niệm chung 2.2.2. Sự đánh dấu trong IP header 11 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.3. Sự đánh dấu trong TCP header 13 2.2.4 Cơ chế hoạt động 14 2.3. Cơ chế hủy bỏ sớm ngẫu nhiên RED 15 2.3.1. Mô tả khái quát về thuật toán 15 2.3.2. Giải thuật RED và các tham số 17 2.4. Cơ chế huỷ bỏ sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED 19 2.4.1. Khái quát 19 2.4.2. Cơ chế hoạt động 20 2.4.3. Sự ảnh hƣởng của thông số MPD đến sự hoạt động của WRED 21 2.4.4. Cách cấu hình WRED trong các thiết bị của Cisco 23 Chƣơng 3: GIẢM BẬC MÔ HÌNH THEO PHƢƠNG PHÁP CÂN BĂNG NỘI 25 3.1. Giới thiệu 25 3.2. Phát biểu bài toán giảm bậc mô hình 25 3.3. Phƣơng pháp cân bằng nội của Moore 25 3.3.1. Một số ký hiệu toán học 25 3.2.2. Tổng quan về đƣa tín hiệu vào của lý thuyết thực hiện tối thiểu 26 3.3.2.1 Nhắc lại hình học cơ bản 27 3.3.2.2 Đặc điểm của Xc 28 3.3.2.3 Đặc điểm của Xō 29 3.3.3 Phân tích thành phần chính 29 3.3.3.1 Phụ thuộc tuyến tính và xấp xỉ bình phƣơng nhỏ nhất 31 3.3.3.2 Thành phần chính của các ma trận đáp ứng xung 32 3.3.3.3 Tính toán các thành phần độ lớn và thành phần véc tơ 34 3.3.3.4 Tính chất nhiễu loạn của thành phần độ lớn và thành phần véc tơ 35 3.3.4. Phân tích tính điều khiển đƣợc và tính quan sát đƣợc 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.3.4.1. Sự liên quan giữa mô hình (F, G, C) và thành phần của eAtB, T A e CT 37 3.3.4.2. Thành phần chính của eAtB, T A e CT 39 3.3.4.3. Giá trị tọa độ không đổi – Dạng bậc 2 41 3.3.4.4. Mô hình cân bằng động học nội cân bằng và chuẩn hóa 42 3.3.4.5. Các tính chất của ổn định tiệm cận, mô hình cân bằng nội 44 3.3.4.6. Tiền đề của giảm bậc mô hình 45 3.3.5. Các công cụ giảm bậc mô hình 46 3.3.5.1 Giảm bậc bằng cách khử hệ con 47 3.3.5.2. Tính trội nội 49 3.3.5.3 Tính trội nội và các dạng bậc 2 51 3.4. Phát triển phƣơng pháp cân bằng nội của Moore 53 3.4.1. Giảm mô hình 53 3.4.2. Các hệ liên tục theo thời gian 55 3.4.3. Hệ thống rời rạc theo thời gian 61 3.5. Thuật toán giảm bậc theo cân bằng nội 67 3.6. Một số ví dụ áp dụng giảm bậc mô hình theo cân bằng nội 69 3.7. Kết luận chƣơng 79 CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG GIẢM BẬC MÔ HÌNH CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM) TRONG VIỄN THÔNG 4.1 Mở đầu 80 4.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển 81 4.2.1 Sơ đồ tổng quát 81 4.2.2 Sơ đồ điều khiển 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.3 Ứng dụng giảm bậc mô hình cho bài toán quản lý hàng đợi tích cực AQM 83 4.3.1 Bài toán quản lý hàng đợi 83 4.3.2 Giảm bậc đối tƣợng theo phƣơng pháp cân bằng nội 84 4.3.3 Một số kết quả mô phỏng 87 4.4 Kết luận chƣơng 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Bảng số Nội dung Trang 1 2.1 Giải thuật WRED 20 2 2.2 Các thông số mặc định của WRED cho các giá trị DSCP khác nhau. 22 3 3.1 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 5 4.1 Mô hình không gian trạng thái và mô hình hàm truyền của các hệ giảm bậc 85 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Hình số Nội dung Trang 1 1.1 Kiến trúc mạng đơn giản. 4 2 1.2 Kiến trúc cơ bản của một router 5 3 1.3 Ví dụ về nghẽn mạng 6 4 2.1 ECN Field trong IP header 12 5 2.2 ECN bit trong IP header 13 6 2.3 Cấu trúc TCP Header với 2 cờ CWR và ECE 14 7 2.4 Cấu trúc 2 trƣờng code field và Reserved field của TCP heade 14 8 2.5 Mô hình quản lý hàng đợi dùng thuật toán RED 16 9 2.6 Sơ đồ hoạt động của WRED 20 10 2.7 Cơ chế loại bỏ gói tin của WRED 21 11 2.8 Biểu diễn các trọng số của WRED 22 12 3.1 Các tín hiệu vào ra của hệ thống 27 13 3.2 Sơ đồ không gian trạng thái của hệ thống 28 14 3.3 Hệ thống khi đƣa vào tín hiệu thử x(0) = 0 29 15 3.4 Hệ thống khi đƣa tín hiệu xung đầu vào 32 16 3.5 Phân chia mô hình hệ thống 48 17 3.6 Phân chia mô hình hệ thống thành hệ con trội và hệ con yếu 48 18 3.7 Tổ chức của mô hình hệ thống 49 19 3.8 Sơ đồ mô phỏng hệ gốc và các hệ giảm bậc trong Simulink 72 20 3.9 Đáp ứng bƣớc nhảy hệ gốc và các hệ giảm bậc 73 21 3.10 Đặc tính tần số hệ gốc và hệ giảm bậc 73 22 3.11 Sơ đồ mô phỏng hệ gốc và các hệ giảm bậc trong Simulink 77 23 3.12 Đáp ứng bƣớc nhảy hệ gốc và các hệ giảm bậc 78 24 3.13 Đặc tính tần số hệ gốc và các hệ giảm bậc 78 25 4.1 Biểu diễn nút cổ chai từ A sang B 81 [...]... cứu và ứng dụng phƣơng pháp giảm bậc mô hình đối với bài toán quản lý lƣu lƣợng 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 lƣợng dịch vụ của mạng viễn thông 3 Nội dung nghiên cứu - Đánh giá tổng quát về các phƣơng pháp giảm bậc mô hình - Nghiên cứu giảm bậc mô hình theo phƣơng pháp cân bằng nội - Bài toán quản lý hàng... đơi AQM trong TMN - Áp dụng phƣơng pháp giảm bậc mô hình theo phƣơng 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 a Ý nghĩa khoa học: - Giảm bậc mô hình áp dụng theo phƣơng pháp cân bằng nội sẽ giúp giảm độ phức tạp của thuật toán điều khiển, giảm thông tin thừa, tăng tốc độ xử lý - Xây dựng đƣợc bài toán quản lý ứng dụng giảm bậc mô hình để... 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 hƣởng của TMN đối với hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ của mạng viễn thông 2 Mục tiêu nghiên cứu Số hóa bởi Trung... giá các tác động trong mạng viễn thông b Ý nghĩa thực tiễn: Áp dụng bài toán này để xây dựng cấu trúc mạng TMN cho các mạng viễn thông cụ thể Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 3 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công CHƢƠNG 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 nhƣ... 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 lƣu 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 lƣu... 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 phƣơng trình sau:  x  Ax  Bu (3.1) y  Cx trong đó, x  Rn, u  Rp, y  Rq, A  Rnxn, B  Rnxp, C  Rqxn Mục tiêu của bài toán giảm bậc đối với mô hình mô tả bởi hệ phƣơng trình đã cho trong (3.1) là tìm mô hình mô tả bởi hệ các... Nguyễn Hữu Công MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mạng viễn thông đƣợc coi là cơ sở hạ tầng truyền thông của hiện tại và tƣơng lai, cho phép tích hợp tất cả các dịch vụ lên trên nền một hệ thống phƣơng tiện truyền thông duy nhất Một trong các vấn đề đƣợc quan tâm nghiên cứu hiện nay là việc xây dựng nên phƣơng pháp để giải quyết các bài toán điều khiển lƣu lƣợng thông minh trên mạng viễn thông hiện tại Nhằm giải quyết... đƣợc chuyển đến đích đến cuối cùng Hình 1.1: Kiến trúc mạng đơn giản Các phƣơng thức quản lý hàng đợi tích cực Trong một hệ thống mạng, một bộ định tuyến (router) thƣờng có nhiều giao diện mạng gắn với những mối liên kết khác nhau nhƣ 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 thƣờng bao gồm một hay nhiều... (3.2) yr  Cr xr trong đó, xr  Rr, u  Rp, yrRq, Ar  Rrxr, Br  Rrxp, Cr  Rqxr, với r  n; Sao cho mô hình mô tả bởi phƣơng trình (3.2) có thể thay thế mô hình mô tả bởi phƣơng trình trong (3.1) ứng dụng trong phân tích, thiết kế, điều khiển hệ thống 3.3 Phƣơng pháp cân bằng nội của Moore 3.3.1 Một số ký hiệu toán học R: là trƣờng số thực PC[t1, t2] : là vành các hàm liên tục từng đoạn trong khoảng... KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công CHƢƠNG 3 GIẢM BẬC MÔ HÌNH THEO PHƢƠNG PHÁP CÂN BĂNG NỘI 3.1 Giới thiệu Khái niệm cân bằng nội đƣợc Moore đề xuất đầu tiên năm 1981 và áp dụng để giải bài toán giảm bậc mô hình [13], đƣợc Perenbo và Silverman phát triển thêm năm 1982 [14] và năm 1984, đƣợc Glover xác định mối quan hệ với các chuẩn Hankel [15] Điều kiện cân băng nội đƣợc xây dựng trên cơ sở chéo hóa đồng thời . nghiên cứu và ứng dụng phƣơng pháp giảm bậc mô hình đối với bài toán quản lý lƣu lƣợng mạng để xây dựng cấu trúc mạng TMN theo góc độ lý thuyết hệ thống. Đồng thời từ cấu trúc TMN xây dựng đánh. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP GIẢM BẬC MÔ HÌNH TRONG XÂY DỰNG CẤU TRÚC MẠNG QUẢN LÝ VIỄN THÔNG Học viên: NGUYỄN ANH TUẤN Mã số: Ngƣời HD. CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP GIẢM BẬC MÔ HÌNH TRONG XÂY DỰNG CẤU TRÚC MẠNG QUẢN LÝ VIỄN THÔNG Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: Học