Nâng cao chất lượng dịch vụ trong mạng atm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN TOẢN NÂNG CAO CHẤT LUỢNG DỊCH v ụ• TRONG MẠNG ATM • » • Chun ngành: Cơng nghệ Diện tử - Viễn thông Mã số: LUẬN VĂN THẠC s ĩ KHOA HỌC HUỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRAN HONG quân y _ f r / \ / H À NỘI - 0 M ỤC L Ụ C LỜI MỞ ĐẦU CHUONG 1: CÁC QUÁ TRÌNH NGẪU n h iê n v m h ìn h h n g đ ợ i 1.1 Các trình ngẫu nhiên 1.1.1 Quá trình M arkov 1.1.2 Quá trình biến đ ổ i .5 1.1.3.Quá trình Poisson .6 1.1.4 Phương trình Chapm an-Kolm ogrov 1.1.5 Phương trình cân tồn cụ c 1.2 Các loại hàng đợi 10 1.2.1 K hái niệm định nghĩa .10 1.2.2 Đ ịnh luật số b é 14 1.2.3 C ác hàng đợi đơn lớp 15 1.3 Các loại mạng hàng đợi 21 1.3.1 Định tuyến xác suất định tuyến tiền định 21 1.3.2 Phân loại mạng hàng đợi .22 1.4 Các mạng hàng đợi đóng 24 1.4.1 Định lý Jackson mạng hàng đợi đóng 25 1.4.2 Tỉ số qua 26 1.4.3 Đ ộ hiệu dụng tương hỗ 27 1.5 Kết luân 27 CHUƠNG 2: CHẤT LUỢNG DỊCH v ụ TRONG MẠNG ATM .28 2.1 Giới thiệu 28 2.2 Các loại hình dịch vụ 29 2.2.1 D ịch vụ tốc đô bit không đổi C B R 29 2.2.2 D ịch vụ tốc độ bit thay đổi V B R 30 2.2.3 D ịch vụ tốc độ bit khả dụng A B R 30 2.2.4 D ịch vụ tốc độ khung đảm bảo G F R 31 2.2.5 D ịch vụ tốc độ không định trước Ư B R .31 2.3 Các tham số chất lượng dịch vụ 31 T ỉ số tế bào C L R 31 T ỉ số tế bào bị lỗi C E R 32 3 Trễ truyền tế bào cực đại M ax-C T D 33 Sự thay đổi trễ tế bào đỉnh - đỉnh P 2P - C D V 35 Dung sai trễ tế bào bùng phát C D V T -B T 35 2.3 K ích thước bùng phát cực đại M B S 35 Tỉ số nhóm tế bào bịlỗi nhiều S E C B R 36 2.3 Tỉ số tế bào đến sai đích C M R 36 2.4 Bản mô tả lưu lượng T D 36 T ố c độ tế bào đỉnh P C R 37 T ố c độ tế bào ổn định S C R 37 T ốc độ tế bào cực tiểu M C R 38 4 K ích thước khung cực đại M F S 39 2.5 Quản lý lưu lượng T M 39 Điều khiển chấp nhận liên kết C A C 39 Điều khiển tham số sử dụng Ư PC 40 2.6 Điều khiển dòng mạng A T M 42 2.6.1 Thuật tốn lịch trình ảo 44 Thuật tốn gáo rị 46 2.7 Kết luận 46 CHUƠNG 3: ĐIỀU KHlỂN LIẴJ LUỢNG TRONG MẠNG ATM 47 3.1 Nguyên lý tác dụng tối thiểu Potriagin 47 3.2 Hệ thống không ổn định 52 Phương trình hệ thống động 52 2 Các tham số lối không ổn định 53 3 Các hàm mục tiêu không ổn định 56 3.3 Điều khiển luồng tối ưu mạng A TM mơ hình luồng động 58 3 Các luồng tối ưu mạng chuyển mạch g ó i 58 3 Đ iều khiển tốc độ lưu lượng tối ưutrong c c m ạng gói A TM 60 3.4 Đ ịnh tuyến tối ưu bẳng m ô hình luồng đ ộ n g 67 C họn đường tối ưu ch o chuyển m ạch k ê n h 67 Đ ịnh tuyến tối ưu m ạng A T M 73 3.5 K ết lu ận .81 CHƯƠNG 4: THUẬT TỐN MAXMIN CĨ ĐIỂU K IỆ N 82 4.1 G iới th iệu 82 4.2 Bài tốn M axm in có điều k iện 83 4.2.1 T ố i ưu L ex ico g rap h ic .83 Phát biểu t o n .84 M ạng m rộ n g 85 4 M axm in có điều k iện 87 4.2 Thuật toán C P G 90 Phương pháp dự đoán liên kết đơn .90 2 Đ ổ hình C P G 92 Thuật toán C PG trườnR hợp đa liên k ế t 93 4.3 K ết luận 97 KẾT LUẬN 98 CÁC T VIẾT TẮT TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC LỜI MỞ Đ ẦU Các m ạng tích hợp dịch vụ số băng rộng (B -ISD N ) cần phổ rộng cho ứng dụng thời gian thực hội nghị truyền hình, video theo nhu cầu, Một đặc tính quan trọng ứng dụng chúng đòi hỏi yêu cầu chất lượng dịch vụ (Q oS) phải đảm bảo, công nghệ truyền dẫn không A T M chọn làm giải pháp Các vấn đề vể trễ, rung pha hay phân phối băng thông mạng liên kết xác định tham số ảnh hưởng trực tiếp tới Q oS có quan hệ hữu với A TM có số eiao thức tương tác điều khiển cấp mạng (phân phối băng thông), điều khiển b cấp gọi (điều khiển chấp nhận liên kết) điểu khiển cấp tế bào (thuật ốn gáo rị) Tuy nhiên, vấn đề tối ưu độ hiệu dụng toàn mạng toán ihức tạp, phi tuyến phân tán D o đó, số điều kiện tài nguyên nạng tuyến sử dụng phải áp đặt M ột c c tốn tìm kết nối thoả mãn yêu cầu 'ề chất lượng dịch vụ dựa thuật toán phân phối băng thông M ax-m in cân tối Đây m ột phương pháp có độ hiệu dụng cao, A TM forum (Version 0) khuyến nghị Tuy nhiên, để có băng thơng M ax-m in cân đối tồn lạng ỉà điều khó thực lưu lượng dòng mạng cân xứng Tốc độ ịnh trước với đặc điểm thay đổi số lưu lượng dòng chọn ỉà giải pháp cho ác toán loại Mục đích luận văn sở nghiên cứu trình ngẫu hiên số loại hàng đợi để tìm hiểu tham sơ' ảnh hưởng tới chất lượng Ịch vụ mạng A T M Trên c sở nghiên cứu cá c mơ hình dịng, đặc biệt ià 5ng động áp dụng nguycn lí tác dụng tối thiểu Pontriagin để cực tiểu thời an trễ xác suất tắc nghẽn m ột hệ thống suy hao Dựa thuật toán 'i ini L exicog rap h ic, toán M axm in có điều kiện C M M (Constrained axim in problem ) tốc độ áp đạt cực tiểu (M R C ) tốc độ áp đặt đỉnh ’R C ) phát triển Cấu trúc luận văn gồm chương: Chương trình bày lý luận trình ngẫu nhiên mà trọng tâm qúa trình Possion, m ột số loại hàng đợi, số định lí quan trọng nạng hàng đợi đóng Chương giới thiệu cá c tham số ành hưởng tới chất lượng dịch vụ nạng A T M m ột số giao thức điều khiển Chương trình bày m hình luồng động ngun lí tác dụng tối hiểu Pontriagin nhằm đạt hiệu xuất mạng Chương trình bày tốn M axm in có điều kiện C M M kết Đây chương quan trọng việc từ tiếp cận đến giải vấn đề chất lượng lịch vụ m ạng A T M Chất lượng dịch vụ m ạng A T M vấn đề rộng cẩn nhiều ghiên cứu, việc hồn thành luận văn khơng tránh khỏi có thiếu sót, long nhận ý kiến đóng góp người quan lâm Chương C Á C Q U Á T R Ì N H N G Ẫ U N H IÊ N VÀ M Ơ H ÌN H H À N G Đ ỢI 1.1 C c trình ngảu nhiên Chúng ta xem xét hệ thống theo thời gian quan tâm tới cá c đáp ứng theo theo thời gian chúng [7], M ột trình ngẫu nhiên X , (hoặc X (t)) tập cá c biến ngẫu nhiên theo tham số t (thường thòi gian) M ột cách xác hơn, q trình ngẫu nhiên ánh xạ từ không gian mẫu s theo hàm t, phần tử e Ihuộc s tương ứng với hàm x,(e) [20], vậy: - Với mồi giá trị e cho trước, x,(e) hàm thời gian - Với giá trị t cho trước, X t(e) biến ngẫu nhiên - Với cặp e t cho trước, x,(e) số cố định K í hiệu T khơng gian tham số, tập giá trị t X t dược gọi không gian trạng thái hay tập c c giá trị khả dĩ, ta có khái niệm sau: - C ác chuỗi thời gian liên tục: Khi T chu kỳ tất cá c thời điểm chu kỳ nhĩmg giá trị khả d7 t - C ác chuỗi thời gian rời rạc: Khi T tập cá c thời điểm rời rạc với X N = X (tn ) - Quá trình trạng thái liên tục: Khi X (t) nhận số giá trị tập biết trước - Quá trình trạng thái rời rạc: X (t) nhận số cá c giá trị tập rời rạc K í hiệu X (t) trình ngẫu nhiên trạng thái X thời điểm t Một trình ngẫu nhiên X (t) hoàn toàn xác định phân bố kết hợp biến ngẫu nhiên X (t,), X ( t2), thời gian tj, t2, t X (tk) xác định tập hữu hạn k, nghĩa là: F j ( x , ĩ ) = P { X ( t , ) < x X (t n) < x „ Ị với X = ( X j , X 2, ,Xn) _ t = ( t l , t , , t n) (1.1.1) Ị 1.1 Quá trình Markov M ột trình ngẫu nhiên gọi q trình M arkov có tính chất sau (gọi tính M arkov) P|X (t„*,) = x „ l |X ( tn) = x n, , X ( t 1) = x l )} = P {X (t„ + i) = x „ n I X (t„ ) = x n} Vn, vt| < < t„+1 Như vậy, trạng thái trình thời điểm tn+| phụ thuộc vào trạng thái q trình thời điểm trước tn (m không phụ thuộc vào cách thức mà trạng thái đạt được) Trạng thái chứa đựng tất cá c thông tin cần thiết để xác định đáp ứng tương lai qúa trình X ác suất chuyển dịch từ trạng thái i sang trạng thái j pj j = P { X n+ị = jl X n = i } Các xác suất chuyển dịch tạo thành ma trận chuyển dịch Cp, j) = p , đó: % p = PlO P0,1 Pll (1 ) Hàng thứ i x c suất trình từ trạng thái i chuyển sang trạng thái j với j = 0, Ma trận với c c phần tử không ủm tổng m ỗi hàng gọi ma trận ngẫu nhiên M ột trình M arkov tạo thành chuỗi M arkov xác suất chuyển dịch P Ị X n+l = jix„ = i } n K í hiệu P { X ll+1= A I X n = A } = p P ị X n+1* A I X n = A } = l - p Khi có : P{ Hệ thống trạng thái A N đơn vị thời gian I trạng thái hệ thống A } — pN P{ Hệ thống trạng thái A N đơn vị thời gian trước rời khỏi trạng thái Ị = pN( l - p) Như vậy, thời gian rời rạc, phân bố trơn có dạng hình học thể tính khơng nhớ thảo luận chi tiết phần 1.1.3 Hình Ị Ị ì : Thời gian rời rạ c m ỏ hình trạng thái Trong trường hợp thời gian liên tục, giả thiết hệ thống trạng thái A thời điểm t tốc độ rời khỏi trạng thái A |i X ét thời điểm t + T , xác suất đê hệ thống khoảng thời gian từ t đến T là: P (H ệ thống trạng thái A khoảng thời gian T I trạng thái A } = ( l - |aAt)T/At = e 'MT Như vậy, thời gian liên tục, hàm phân bố theo thời gian mà hệ thống tồn trạng thái A trạng thái có dạng hàm mũ ỉ 1.2 Quá trình biến đ ổ i Hình ỉ ỉ 2: Mỏ hình trình biến đổi Là chuồi M arkov đặc biệt, rời rạc theo thời gian có cá c tính chất: - Tồn m ột không gian trạng thái rời rạc - C ác trạng thái đếm - Chuyển dịch xảy c c trạng thái liền kề với tốc độ chuyển dịch là: Pl.j - < X, j X c suất chuyển khoảng At tới A-iÀt ịiị j X c suất chuyển khoảng At tới fi,At cá c giá trị Khi hệ thống cá c trạng thái khác Ị 1.3 Q uá trinh P oisson Poisson loại trình M arkov hay trình đếm số kiện riêng lẻ xảy cách ngẫu nhiên khoảng thời gian xác định trước Chúng ta thường xem kiện trình đến hàng đợi khách hàng K í hiệu Ntt số khách hàng đến hàng đợi khoảng thời gian (t,x], trình ngẫu nhiên |N0llt > } m ột trình Poisson với t T > có cá c đặc điểm sau: L m ột trình thời gian nhất, nghĩa với số nguyên không âm k, P(N t t+I = k) độc lập với X hay m ột cách tương ứng NTT+1 phân bố N,„ Là m ột trình tăng độc lập, nghĩa N()T NTT+, độc lập với Là trình tuần tự, nghĩa P(NTT+l > 2)/t —> t —> 0T rên sở q trình Poisson có c c tính chất sau: Tính khơng nhớ Một q trình Poisson với tham số X , thời gian để khách hàng vào hàng đợi kí hiệu A thời gian c c khách hàng vào hàng đợi cá c biến ngẫu nhiên theo luật hàm mũ P(A > t) = P(N OI= ) = e ?'t (1 ) Rõ ràng P(A < t) = 1- e xt K í hiệu thời gian cá c khách hàng vào hàng đợi T Đ ê tính P (T > t) chứng minh rằng, với m ột khách hàng vào hàng đợi thời điểm t số khách hàng vào hàng đợi khoảng thời gian [t,T + t] Tuy nhiên, biến ngẫu nhiên NS1 mô tả số khách hàng vào hàng đợi khoảng thời gian (s ,tj Do giả thiết có khách hàng vào hàng đợi thời điểm t , ...TM, sở nghiên cứu đặc tính chất lượng mạng thơng qua đặc tính nghẽn trễ tế bào chờ xử l ý nút ATM Qua nghiên cứu đặc tính chất lượng mạng ATM, luận văn giới thiệu biện pháp để nâng cao chất l... CHUƠNG 2: CHẤT LUỢNG DỊCH v ụ TRONG MẠNG ATM .28 2.1 Giới thiệu 28 2.2 Các loại hình dịch vụ 29 2.2.1 D ịch vụ tốc đô bit không đổi C B R 29 2.2.2 D ịch vụ tốc... điều kiện C M M kết Đây chương quan trọng việc từ tiếp cận đến giải vấn đề chất lượng lịch vụ m ạng A T M Chất lượng dịch vụ m ạng A T M vấn đề rộng cẩn nhiều ghiên cứu, việc hoàn thành luận văn