Cân bằng tải tối ưu trong mạng truyền dữ liệu

ĐẠI HỌC QUOC GIA HA NỘI KHOA CỒNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG HẠNH CÂN BẰNG TẢI TỐI ƯU TRONG MẠNG TRUYỀN DỮ LIỆU ■ ■ Chuyên ngành: K ỹ thuật vô tuyến điện tử thônq tin liên lạc Mã số: 0 LUẬN VĂN THẠC SỸ ■ ■ NGƯỜI H UỚNG D Ẫ N K H O A HOC TS T R Ầ N H Ổ N G Q U Â N GAI H O C Q U Ố C G iA HA NỘI TRŨNGTÁM THGHGTW THU V íu ’ Z \ z iũịổU.O Hà nội - 2003 MỤC LỤC Trang Mục lục Danh mục tù viết tắt MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CÂU TRÚC M ẠNG CHƯƠNG 2: CẢN BANG TẢI TRONG CÂU HÌNH MẠNG SAO ĐƠN KÊNH 2.1 Giới thiệu 2.2 Cân tải môi trường đơn lớp 2 Giới thiệu 2.2.2 Mô h ìn h 2.2.3 Cân tái tối ưu 2.2.4 So sánh đặc tính thuật tốn cân tả i 14 2.2.5 Thuật tốn cho m ạng hình 15 2.2.6 Kết lu ận 16 2.3 Cân tải tối ưu môi trường đa lớp 16 2.3.1 Giới thiệu 16 2.3.2 M ô tả m h ìn h 17 2.3.3 N ghiệm tối ưu 20 2.3.4 Thuật toán cân tải u 25 2.3.5 So sánh tốc độ thuật to n 32 2.3.6 Kết lu ận 37 CHƯƠNG 3: CÂN BANG TẢI TỐI ƯU CHO TỒN BƠ TẢI Đ ố i VỚI TẢI TỐI ƯU RIÊNG LẺ 3.1 Giới thiệu 3.2 Cân bàng tải tĩnh 38 mạng đơn kênh 39 3.2.1 M ô tả m hình 40 3.2.2 N ghiệm tơi ưu 42 3.2.3 Phân tích tham s ố 44 3.2.4 Tác động bất thường tối ưu cân b ằ n g 52 3.2.5 Tính tốn s ố 53 3.2.6 Kết lu ậ n 56 3.3 Cân tải tĩnh mạng hình 58 3.3.1 Mơ tả m hìn h 58 3.3.2 Nghiệm tối ưu 59 3.3.3 Phân tích tham số 65 3.3.4 Tác động bất thường biến tối ưu 71 3.3.5 Tính tốn s ố 73 3.3.6 Thảo luận 76 3.4 Cân bàng tái tĩnh môi trường đơn kênh đa lớp 78 3.4.1 Mô hình 78 3.4.2 Tính tốn s ố 83 3.4.3 Thảo lu ận 88 3.4.4 Kết luận 89 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT [CPU] : Central Processing Unit [I/O ] : Input/Output [FD] : Flow deviation [FCFS]: First come first served MỎ ĐẦU Công nghệ mạng truyền liệu có bước phát triển đáng kể năm gần Nhờ vào mạng truyền liệu có tính hỗ trợ việc truyền ứng dụng thương mại rộng lớn ứng dụng đặc biệt quan trọng khác giao dịch tài chính, truy nhập sở liệu, Web, dịng liệu âm thanh, hình ảnh, Các ứng dụng có tần suất sử dụng cao, (hỏng thường phái chạy liên tục 24 ngày, ngày tuần Do vậy, hệ thống mạng phái có khả mở rộng tối ưu để đáp ứng số lượng lớn yêu cầu người sử dụng mà không gây độ trễ không mong muốn Một xu hướng gần hệ thống mạng phân tán tính tốn xử lý vật lý Các xử lý hệ thống mạng phân tán có thê khác quy mơ chức Chúng thường bao gồm vi xử lý nhỏ, máy trạm, máy tính mini hệ thống máy tính đa lớn Các xử lý thường gọi node Sự nghiên cứu vể hệ thống mạng phân tán bao gồm nhiéu lĩnh vực như: mạng truyền thông, hệ điều hành phân tán, sở liệu phân tán, ngơn ngữ lập trình chung phân tán, lý thuyết thuật toán song song phân tán, cấu trúc nối mạng, độ tin cậy khả lỗi, hệ thống phân tán thời gian thực, khả gỡ lỗi phân tán ứng dụng phân tán [13] Như vậy, hệ thông mạng phân tán bao gồm mạng vật lý, node tất phần mềm điều khiển Có lý để xây dựng hệ thống mạng phân tán, là: chia sẻ tài nguyên, cải tiến tối ưu, độ tin cậy, khả nâng truyền thông độ khả mở Một vấn đề thú vị hệ thống mạng phân tán cải tiến tối ưu hệ thống thông qua cân tải node [12] Với lý trên, lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp nghiên cứu cân tái tối ưu mạng truyền liệu Đó vấn đề quan trọng việc phát triển công nghệ mạng Các kết nghiên cứu cân tải có thê sử dụng hữu ích việc thiết kế hệ thống mạng phán tán hay điều chinh tham số hợp lý để nâng cao tối ưu hệ thống Trong luận văn này, tập trung nghiên cứu cân tải cấu hình mạng đơn kênh (mạng bus), cấu hình mạng đơn kênh, dưa thuật tốn cân tải cho mơi trường đơn lớp đa lớp cho cáu hình mạng nói so sánh đặc tính thuật tốn càn tải Ngồi ra, luận văn cịn nghiên cứu hai phương pháp cân tải cân tải tối ưu cho toàn tải cân tải tối ưu cho tải riêng lẻ thông qua phân tích tham số Cấu trúc luận văn gồm phần sau: Mở đầu Chương 1: Trình bày cấu trúc mạng Chương 2: Trình bày cân tải cấu hình mạng đơn kênh Chương 3: Trình bày cân tải tối ưu cho toàn tải tải tối ưu riêng lẻ Kết luận Nội dun° nghiên cứu luận văn xây dựng sở kiến thức tiếp thu trình học tập, nghiên cứu khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội thời gian công tác Trung tâm Tin học Bưu điện Hà nội Với thời gian nghiên cứu hạn hẹp, luận văn khơng tránh khỏi có sai sót, tác giả mong góp ý chí bảo thầy cô bạn bè đồng nghiệp Qua đây, tác giả xin gửi lờicảm ơn chân thành đến TS Trần Hổng Quân - Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện hướng dẫn tận tình, có nhiều lời góp ý, nhiều tài liệu bố ích đê luận văn hoàn thành Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội tạo điều kiện học tập nghiên cứu cho tác giả hai năm học vừa qua Xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp, bạn học lớp có lời động viên quý báu suốt thời gian thực luận văn Hà nội, thúng 06 năm 2003 Nguyễn Hồng Hạnh CHƯƠNG : CẨu TRÚC MẠNG Sự kết hợp máy tính với hệ thống truyền thông (communication) đặc hiệt viễn thông (telecommunication) tạo chuyến biến có tính chất cách mạng vấn đề tổ chức khai thác sử dụng hệ thống máy tính Mơ hình tập trung dựa máy tính lớn với phương thức khai thác theo “lô” thay thê mơ hình tổ chức sử dụng mới, máy tính đơn lẻ kết nối lại để thực công việc Một môi trường làm việc nhiều người su dụng phân tán hình thành cho phép nâng cao hiệu khai thác tài nguyên chung từ vị trí địa lý khác Các hệ thống gọi mạng máy tính Trong năm 70 kỷ 20 bắt đầu xuất khái niệm Mạng truyển thơng (communication network), thành phần nút mạng, gọi chuyển mạch dùng đê hướng thơng tin tới đích Các nút mạng nối với đường Iruyền cịn máy tính xử lý thông lin qua trạm Host trạm cuối nối trực tiếp vào nút mạng để cần thi trao đối thông tin qua mạng Bán thân nút mạng thường máy tính nên thời đóng vai trị máy người sử dụng [ 1] Với nhận xét này, phạm vi luận văn, không phân biệt khái niệm mạng máy tính mạng truyền thơng Các máy tính kết nối thành mạng máy tính nhằm đạt tới mục tiêu sau đây: Làm cho tài nguyên có giá trị cao (thiết bị, chương trình, liệu ) trở nên khả dụng người sử dụng mạng (không cần quan tàm đến vị trí địa lý tài nguyên người sử dụng) - Tăng độ tin cậy hệ thống nhờ khả thay xáy cố máy tính (rất quan trọng ứng dụng thời gian thực) Kiến trúc mạng niáv tính Kiến trúc mạng máy tính thể cách nối máy tính với tập hợp quy tắc qui ước mà tất thực thê tham gia truyền thông mạng phải tuân theo đế đám báo cho mạng hoạt động tốt Sự xếp vật lý đặc trung thành phần mạng gọi hình trạng (topology) cùa mạng Còn tập hợp qui tắc, qui ước truyền thơng gọi giao thức mạng Tdpoloụy mang Hai mạng có hình trạng cấu hình nối mạng nhau, hai mạng khác kết nối vật lý, khoảng cách node, vận tốc truyền loại tín hiệu Các dạng hình trạng mạng phố biến sau [8]: * Mạng bus: hình trạng mạng mà tất node (các trạm) nối với đường bus đơn ■ Mạng nối đầy đu: hình trạng mạng mà tồn đường nối trực tiếp (nhánh) hai node Nếu mạng nối đầy đù có n node có n(n-l) nhánh trực liếp ■ Mạng lai: kết hợp hai nhiều hình trạng mạng ■ Mạng hình lưới: hình trạng mạng mà có node có đường nhiều đường nối chúng ■ Mạng mạch vịng: hình trạng mạng mà node có nhánh nối tới ■ Mạng hình sao: hình trạng mạng mà node ngoại vi nối với node trung tâm, node trung tâm quảng bá lại tất tín hiệu mà nhận dược từ node ngoại vi tới tất node ngoại vi cịn lại, kể node gửi tín hiệu ban đầu Tất node ngoại vi giao tiếp với node lại cách gửi đến nhận từ node trung tâm ■ Mạng hình cây: hình trạng mạng mà đó, từ cách nhìn hồn tồn hình thái, tương tự kết nối mạng hình sao, cho node ngoại vi riêng lẻ nhận truyền từ node khác hướng node trung tâm yêu cầu khơng hoạt động nhắc lại Có kiểu nối mạng chủ yếu điểm - điểm quáng bá (broadcast hay point to multipoint) Theo kiểu điểm - điểm, đường truyền nối cặp nút với nút có trách nhiệm lưu giữ tạm thời sau chuyển tiếp liệu đích Do cách thức làm việc nên mạng kiểu gọi mạng lun thoát Một số dạng mạng điểm - điểm mạng hình sao, hình cây, mạng kết nối đầy đủ, trình bày hình 1.1 * : t : M ạng hình M ạng kết nối đầy đủ • Node Nhánh M ạng hình M ạng hình lưới Hình 1.1 Theo kiểu quảng bá, tất nút phân chia chung đường truyền vật lý Dữ liệu gửi từ nút tiếp nhận tất nút lại, cần địa chi đích liệu để nút vào kiểm tra xem liệu có phải dành cho minh hay khơng? Một số ví dụ mạng kiểu quảng bá mạng vòng, mạng b u s , trình bày hình 1.2 M ạng bus M ạng mạch vịng kép • M ạng mạch vịng Node Nhánh Hình 1.2 Trong topology dạng bus vịng cần có chế “trọng tài” để giải “xung đột” nhiều nút muốn truyền tin lúc Việc cấp phát đường truyền “tĩnh” “động” Cấp phát “tĩnh" thường dùng cho chê vòng để phân chia đường truyền theo khoảng thời gian định trước Còn cấp phát “động” cấp phát theo yêu cầu để hạn chế thời gian “chết” vơ ích đường truyền Giao thức maiiíi Việc trao đổi thông tin, cho dù đơn giản nhất, đểu phải tuân theo quy tắc định Ngay hai người nói chuyện với muốn cho nói chuyện có kết qua hai người phải ngầm tuân thủ quv tắc: người nói người phải nghe ngược lại Việc truyền tín hiệu mạng vậy, cần phải có quy tắc, quv ước nhiều mặt, từ khuôn dạng liệu thủ tục gửi, nhận liệu kiểm soát hiệu chất lượng truyền tin xử lý lỗi sư cố Yêu cầu xử lý trao đổi thơng tin người sử dụng cao quy tắc nhiều phức tạp Tập hợp tất quy tắc, quy ước gọi giao thức mạng Rõ ràng mạng sử dụng giao thức khác tuỳ lựa chọn người thiết kế *p(k) Tài nguvcn hàng đợi ị)(k) A N ode n Node i T Mạnu truycn 0, k = 1,2, «/, i = \,2, n,k = \,2,-m, lưu lượng mạng lớp k Ằ.(/?,) = a {k) + g ík)( Ả ị (/ e Rjk)), /?;*’ =() < p]k) < ữ u> < / / * > ( £ ) < a ik) + g {k\ Ả \ (3.138) (i e o , p )k )=ệ]k\ ( i e N {k}), đó, a (k) thừa số Lagrange Phương p h p tối ưu riêng lé Quyết định hoạch định gói tin phương pháp tối ưu riêng lẻ thực cho gói tin hoạch định để tối thiểu hố thời gian đáp ứng gói tin mong đợi cho trước độ trễ node mong đợi node F,(k)(P,) độ trễ truyền mong đợi G (k)(À.) Với kết phương pháp này, gói tin cảm thấy thời gian đáp ứng gói tin mong đợi tối thiểu hố biết độ trề node mong đợi ứ node độ trễ truyền mong đợi Trong tải mẫu tưưng ứng với trạng thái cân bằng, hai gói tin lớp đến node xử lý node khác có thời gian đáp ứng gói tin mong đợi Nghịch đảo độ trễ node định nghĩa là: 80 F ( A * ẹ k' ( P , \ ^ j = x /ã" I =' V ô>** õy , p> U:*'=.v biểu diễn vectơ mà thành phần giống (3, trừ thành phần p,(k) thay X Sau điểu kiện mà nghiệm phương pháp tối ưu riêng lẻ thoả mãn Tải tối ưu riêng lẻ p thoả mãn quan hệ sau, k = 1, 2, /=;'*’(/?,)> K yk) + Ơ (* V ) , /?;*'= 0, Flik'U3l ) = K ' k' + k)(Ả ị ộ)k\ m (/ e Rjk)), ( i e R l k)), fi\k) = ộ ] k\ (3.140) Ụ e N (k)ị ( i e S {k)) với điều kiện ràng buộc dòng tổng: i e S tkl' /e.S'“ ĩ f ' Ie6 J.vV'*" ’1 4 V' ^ĨĨT ^ (3.142) 1~ ( A + — + r b r ) /'/ đó, ị.i,(k’ = n, k = m biểu diễn tần suất dịch vụ lớp k node i Chúng ta xem xét mơ hình đa lớp M/M/l vói nguyên tác dùng chung vi xứ lý cho mạng đơn kênh Độ trễ truyền mong đợi lớp k đưa sau: ° (/l) = l - ( / (l)Ẩ(l) + (3' l43) đó, t(k), k = 1, Ill biểu diễn thời gian truyền trung bình (loại trừ thời gian hàng đợi) với gói tin lớp k Tác động cua thịi gian truyền Hình 3.13 3.14 chi tác động thời gian truyền t(k> (t(l) = t(2)) phương pháp cân bans tải trường hợp Điều có nghĩa la thời gian truyền dao động từO giá trị khơng có gói tin xử lý từ xa phương pháp Trong hình 3.13(B) 3.14(B), ta quan sát thấy lớp gói tin xử lý node xa có khả xử lý rộng cho lớp thời gian truyền ngắn, có nghĩa tất gói tin lớp xử lý node tất gói tin lớp xử lý node thời gian truyền (t