Nghiên cứu phương pháp điều khiển trách tắc nghẽn của dịch vụ ABR trong mạng ATM bằng thuật toán thông minh thích nghi neuron mờ (computational intelligent in congestion advoidance control alg

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐÁ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MON VIEN THONG à ả LUAN VAấN TOT NGHIEP ẹe taứi: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN CỦA DỊCH VỤ ABR TRONG MẠNG ATM BẰNG THUẬT TOÁN THÔNG MINH THÍCH NGHI NEURON MỜ COMPUTATIONAL INTELLIGENT IN CONGESTION ADVOIDANCE CONTROL ALGORTHMS IN ATM NETWORKS GVHD SVTH LỚP : TS PHẠM HỒNG LIÊN : NGUYỄN HOÀNG MINH : CAO HỌC KT ĐTVT- K11 TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2002 LỜI CẢM ƠN Việc nghiên cứu tìm tòi đề tài thực học viên lớp cao học điện tử viễn thông trường đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí minh Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến só Phạm Hồng Liên, người tạo cho niềm say mê tìm tòi, nghiên cứu, giúp đỡ hướng dẫn tận tình suốt thời gian làm luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý Thầy Cô trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt Thầy Cô thuộc Khoa Điện – Điện Tử tất kiến thức mà Quý Thầy Cô truyền đạt cho suốt thời gian qua Cuối cùng, xin gửi đến gia đình, bạn bè với tình cảm sâu sắc lời động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho suốt trình học tập T.p Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2002 Nguyễn Hoàng Minh ACKNOWLEDGEMENTS The research work described in this thesis was performed while I was a cadidare for degree of Master of the Technology of Hồ Chí Minh University I would like to express my gratitude to my supervisors, Dr Phạm Hồng Liên of the Technology of Hồ Chí Minh University, who has given continuing support and guidance throughout the course of the research work I woulde like to thank all professors for my enjoyable time with the master courses Finally, and most importantly, I wish to thank my family and friends ,who were always very supportive, and kept me going on the right path to complete my work Hồ Chí Minh City, December, st 2002 Nguyễn Hoàng Minh ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN TÓM TẮT Mục đích đề tài sử dụng thuật toán thông minh công cụ hữu ích cho việc phát triển ứng dụng việc điều khiển lưu lượng mạng đa dịch vụ dựa ATM để giữ chất lượng dịch vụ theo yêu cầu đạt độ sử dụng tài nguyên lớn Đầu tiên đề tài đưa cấu trúc điều khiển phân cấp đa mức mạng ATM để thấy sức mạnh thuật toán thông minh ứng dụng điều khiển đa mức Tiếp nghiên cứu giải thuật ERICA( Explicit Rate Indication for Congestion Advoidance) Thuật giải tránh tắc nghẽn dùng thị tốc độ hồi tiếp tường minh thấy hướng phát triển thuật giải ERICA+( Explicit Rate Indication for Congestion Advoidance) Nguồn ảo/Đích ảo( Virtual Source/Virtual Destination) Từ đưa cấu trúc điều khiển dùng thuật toán thông minh việc điều khiển tránh tắc nghẽn dạng mức Mạng đa dịch vụ dựa mạng ATM phải sử dụng phương pháp điều khiển lưu lượng phức tạp để đáp ứng cách hiệu tất yêu cầu truyền tải đa dạng dịch vụ thoại, video liệu đáp ứng chất lượng yêu cầu Những kỹ thuật điều khiển hồi tiếp có vai tro quan trọng việc quản lý hiệu nguồn tài nguyên mạng ATM Tuy nhiên, việc phát triển kỹ thuật điều khiển hồi tiếo truyền thống phụ thuộc vào mô hình hệ thống phân tích có sẵn Những mô hình phân tích khó thực hiện; hay thực hiện; đặc tính mạng ATM độ phức tạp dịch vụ yêu cầu Việc thiếu mô hình tường minh thực dẫn tới vấn đề nghiêm trọng việc phát triển giải pháp điều khiển mạng băng rộng B-ISDN Điều làm giới hạn khả kỹ thuật truyền thống việc giải điều khiển mạng ATM Trong nghiên cứu gần đây, vài phương pháp điều khiển tắc nghẽn chấp nhận kết nối cho mạng B-ISDN đưa chúng đạt vài kết ban đầu, Nhưng thường chúng dựa mô hình tương đối đơn giản hay chúng phức tạp để thực hiện, mà phần lớn dựa vào mô hình không đổi( steady –state) Trái lại, Bộ điều khiển mờ hay điều khiển thích nghi neuron-mờ ứng dụng thành công hệ thống điều khiển mà mô hình phân tích không đạt Bộ điều khiển mờ làđịnh hướng điều khiển dựa tri thức dùng mô hình tường minh hệ thống không đạt có phức tạp phi tuyến Trong trường hợp này, việc thiết kế hệ thống điều khiển dựa kiến thức liên quan tới hoạt động hệ thống Mà kiến thức điều khiển mờ đạt theo diễn tả ngôn ngữ dạng hàm tương quan mờ Bởi TÓM TẮt SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN việc dùng hàm tương quan mờ, thông số hệ thống đạt không cần mối quan hệ tường minh Đề tài đưa phương pháp điều khiển tránh tắc nghẽn dự đoán mới, Điều khiển tránh tắc nghẽn dựa tốc độ hồi tiếp tường minh dùng thuật toán thông minh mục đích tránh tắc nghẽn dựa • Giảm nhỏ độ mát cell • Giữ độ sử dụng đường truyền cao • Giữ độ công đướng truyền Chất lượng thuật giải FERC( Fuzzy Explicit Rate Controler) ANFERC(Adaptive Neuron – Fuzzy Explicit Rate Controler) đáng kể so sánh với thuật giải phát triển dựa phương pháp truyền thống Kết cho ta thấy việc điều khiển dựa thuật toán thông minh công cụ thiết kế hiệu để giải vấn đề Khi hệ thống điều khiển có độ phức tạp phi tuyến cao, giúp cho ta truy xuất mức thấp điều khiển từ mức điều khiển cao xây dựng mức điều khiển Ngoài thuật toán thích nghi neuron mờ ANFERC tự thích nghi từ ta đạt thông số tự chỉnh hệ thống sử dụng băng thông mạng tốt Việc cho hệ thống điều khiển đạt tính bền vững TÓM TẮt SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN Abstract The research presented in this thesis aim to demonstrate that computation intelligent is useful tool for developing mechanisms for controlling traffic flows in ATM based multimedia networks to maintain quality of service(QoS) requirements and maximize resource utilization The study frist proposeses a hierarchical, multilevel control structure for ATM networks to exploit the reported strengths of fuzzy logic at various control levels Then, we study on ERICA- Explicit Rate Indication for Congestion Advoidance, we will see dvelopment for the next algorithms: ERICA + and VS/VDVirtual Source/ Virtual Destination Based on these, we proposed control architecture at the congestion control level at an extensive development and evaluation An ATM based multimedia network must have quite sophisticated control capabilities to effectively handle the requirements of a dynamically varying mixture of voice, videoand data services while meeting the required levels of performance Feedback control techniques have an essential role for the effective and efficient management of the resources of ATM networks However, development of conventional feedback control techniqueõs relies on the availability of analytical system models The characteristics of ATM networks and the complexity of service requirements cause the analytical modeling to be very difficult, if not possible The lack of realistic dynamic explicit models lead to substantial problems in developing control solutions for B-ISDN networks This limits the ability of conventional techniques to directly address the control objectives for ATM networks In the literature, several connection admission and congestion control methods for B-ISDN networks have been reported, and these have achieved mixed seccess Usually they either assum heavily simplified models, or they are too complicated to implement, mainly derived using probabilistic(steady-state)models Fuzzy logic controler or Adaptive Neuron Fuzzy controler, on the other hand, have been applied successfully to the task of controlling systems for which analytical models are not easily obtainable Fuzzy logic control is a knowledge-based control strategy that can be utilized when an explicit model of a system is not available or, the model itself, if available , is highly complex and nonlinear In this case, the problem of control system design is based on qualitative and/ or empirically acquired knowledge regarding the operation of the system Representation of qualitative or empirically acquired knowledge in a fuzzy logic controller is achieved by linguistic expression in the form of fuzzy relational equations By using fuzzy relation equations, classifications related to system parameters can be derived without explicit description TÓM TẮT SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN This thesis presents a new predictive congestion control scheme Fuzzy Explicit Rate Controler( FERC) vaø Adaptive Neuron_ Fuzzy Explicit Rate Controler Which aim to avoid congestion, and by doing so • • • Minimize the cell losses Attain high server utilization and Maintain the fair use of links The performance of these above xchemes is extremely competitie with that of control scheme developed using traditional methods over a considerable period of time The results of the study demonstrate that computation intelligent: fuzzy logic and neuron-fuzzy is a highly effective design tool for this type of problems, relative to the traditional methods When controlled systems are highly nonlinear and complex, it keeps the human insight alive and accessible at the lower levels of the control hierarchy, and so higher levels can be built on this understanding Additionally, the FERC scheme have been extended to adaptive tune(ANFERC) so that continuous tuning of the parameters can be achieved, and thus be more adative to system changes leading to better utilization of network bandwidth This achieves a lavel of robustness that is not exhibited by other congestion control schemes reported in the literature TÓM TẮT SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN DẪN NHẬP Mạng đa dịch vụ mode truyền dẫn bất đồng ATM: Trong năm gần đây, nhu cầu sử dụng mạng đa dịch vụ tăng mạng kết hợp dịch vụ thoại, liệu, ứng dụng video cho dịch vụ đa dạng truyền hình theo yêu cầu (video on demand), hội nghị thoại (teleconference), dịch vụ y tế từ xa (telemedicine) Những ứng dụng dùng mạng đa phương tiện (multimedia) có yêu cầu chất lượng đặc tính lưu lượng khác Từ mạng hỗ trợ cho lưu lượng có băng thông từ vài Kb/s vài Mb/s (ví dụ: dòng bit video có độ phân giải cao) Trong đó, ứng dụng video liệu lại mang tính chất phát dạng chùm cao, trái lại vài ứng dụng khác lại yêu cầu chất lượng thời gian trễ Ví dụ ứng dụng thoại lại yêu cầu thời gian trễ nghiêm ngặt không đổi cho phép thoại tương đối Trái lại ứng dụng liệu, yêu cầu truyền tải thời gian thực thông số quan trọng lại yêu cầu nghiêm ngặt liệu Vài dịch vụ khác truyền hình thời gian thực yêu cầu truyền không lỗi có độ trễ truyền dẫn nhỏ Sự phát triển mạng đa dịch vụ, tốc độ cao kết hợp mạng số đa dịch vụ băng rộng (B-ISDN) mode truyền dẫn bất đồng Để đáp ứng yêu cầu mạng đa dịch vụ thông qua B-ISDN, vài kỹ thuật đề nghị cho phương pháp chuyển mạch ghép kênh (hay gọi cách khác mode truyền dẫn) Những phương pháp bao gồm mode truyền dẫn đồng (STM) dựa kỹ thuật chuyển mạch mạch mode truyền dẫn bất đồng dựa kỹ thuật chuyển mạch gói Đầu tiên mode truyền dẫn đồng xem mode truyền dẫn thích hợp dành cho B-ISDN ATM ảnh hưởng đáng kể từ kinh nghiệm đạt từ mạng chuyển mạch gói ARPANET Trong STM, băng thông định theo khe thời gian theo chu kỳ khung Khe đồng khung đánh dấu bắt đầu khung Lúc này, kỹ thuật chuyển mạch mạch truyền thống, khe thời gian khung STM định cho gọi riêng biệt gọi nhận biết vị trí khe thời gian Trong STM, khe thời gian định dựa tốc độ truyền đỉnh gọi chất lượng dịch vụ gọi đạt Dựa đặc tính này, STM phù hợp cho dịch vụ có tốc độ bit không đổi không hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện hiệu băng thông bị lãng phí suốt khoãng thời gian mà thông tin truyền dẫn tốc độ đỉnh ATM dự định thay việc sử dụng không hiệu linh động STM Trong ATM, thông tin cấu trúc theo gói có chiều dài cố định ( gọi cell) bao gồm phần dẫn đường phần tải Sự khác biệt ATM so với STM định khe thời gian theo yêu cầu dễ thay đổi, mạng ATM băng thông không bị chiếm dụng trừ thông tin thực truyền mạng Việc dẫn đến việc sử dụng băng thông hiệu nguồn lưu lượng ghép kênh theo hệ thống ảo Tối ưu việc sử dụng tài nguyên mạng từ yêu cầu cấu trúc GIỚI THIỆU SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN điều khiển phân tán, phi tuyến phức tạp Trong việc điều khiển nghẽn, điều khiển chấp nhận kết nối điều khiển thông số người dùng với điều khiển tránh tắc nghẽn quan trọng Chúng ta sử dụng thuật giải logic mờ cho việc giải vấn đề tránh tắc nghẽn phức tạp mạng ATM Trong mạng ATM tỉ số độ trễ truyền dẫn thời gian truyền cao mạng cũ (điều ảnh hưởng trực tiếp độ hồi tiếp so sánh toàn mạng, vấn đề khó khăn lý thuyết điều khiển Tính chất với thay đổi lưu lượng không dự đoán dòng lưu lượng phát dạng chùm làm cho việc điều khiển luồng tắc nghẽn mạng ATM khó giải Kết cho ta độ đáp ứng phi tuyến, độ biến động cao Thuật giải điều khiển nghẽn dạng đáp ứng thông thường (Purely reactive) không đạt hiệu mạng ATM có số lượng lớn cell chuyển tải điểm nút mạng thời gian thiếu mô hình xác thích hợp Muốn điều khiển tránh tắc nghẽn hiệu cần phải kết hợp điều khiển dự đoán điều khiển đáp ứng mạng Thuật giải điều khiển nghẽn dự đoán yêu cầu dự đoán đáp ứng động lưu lượng chuyển mạch để gửi tín hiệu điều khiển tránh tắc nghẽn nguồn liệu đủ sớm để tránh cell tràn đệm Nhu cầu mạng đa dịch vụ dẫn đến việc điều khiển phức tạp tăng đề cập phần Cho vấn đề cần kỹ thuật điều khiển mô hình Những mô hình mô hình tuyến tính xác, mô hình hàm dạng Radial sở khó đạt cần kỹ thuật phù hợp với bất ổn định Đề tài nghiên cứu kỹ thuật điều khiển thông minh mà phù hợp với mối quan hệ vào phi tuyến hoạt động với liệu không chắn chưa rõ Kỹ thuật điều khiển thông minh dùng mạng nơron nhân tạo, logic mờ hay tính toán dạng tiến hóa Lý dùng điều khiển mờ mạng ATM : Những phương pháp điều khiển mô hình hệ thống dựa logic mờ dành ý đặc biệt ưu điểm sau: - Khả diễn tả nhanh cấu trúc điều khiển hệ thống dựa tri thức dạng ưu tiên - Ít phụ thuộc vào mô hình xác có sẵn trình điều khiển - Dễ áp dụng cho thông số phi tuyến Những phương pháp mô hình hóa dạng mờ cho ta mô hình biểu diễn đáp ứng hệ thống đủ tốt cho ứng dụng chúng điều khiển mờ Dạng điều khiển dựa mô hình mờ tạo phương pháp thay mô hình mờ dùng biến ngôn ngữ Do nhu cầu mô hình tin cậy giá thấp, mô hình mờ trở nên thay hữu ích cho mô hình điều khiển truyền thống độ phức tạp tính hay thay đổi hệ thống gia tăng Điều quan trọng thực tế bời việc mô hình hóa thường bước trở ngại cho việc ứng dụng điều khiển mạng cách hiệu GIỚI THIỆU SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM GVHD : TS PHẠM HỒNG LIÊN Ví dụ để giải vấn đề điều khiển tránh tắc nghẽn dạng dự đoáùn dùng lý thuyết điều khiển dạng truyền thống, ta phải yêu cầu mô hình toán học xác cho trình đến cho phân bố Cell đệm chuyển mạch Bất lỗi mô hình toán học làm giảm chất lượng hoạt động điều khiển dẫn tới việc điều khiển không xác Hơn mô hình cần yêu cầu việc tính toán phức tạp không phù hợp cho việc tính toán thời gian thực Trái lại việc điều khiển mờ dạng thích nghi có khả tự chỉnh đường truyền dựa tăng chất lượng hệ thống không phụ thuộc vào mô hình toán học chi tiết Chất lượng hệ thống lúc liên tục định chỉnh theo số chất lượng hay hàm giá Mục đích đề tài nghiên cứu tương ứng: Nghiên cứu đưa đề tài mục đích chứng minh logic mờ công cụ hữu ích cho việc phát triển điều khiển dòng lưu lượng tránh tắc nghẽn mạng đa dịch vụ dưạ ATM để giữ yêu cầu vầ chất lượng dịch vụ độ sử dụng tài nguyên lớn Đề tài đưa cấu trúc điều khiển đa mức, phân cấp mạng ta thấy ứng dụng mạnh mẽ Logic mờ mức điều khiển khác Sau đưa cấu trúc điều khiển mức điều khiển tránh tắc nghẽn dựa việc thực phát triển mở rộng theo cấu trúc Người ta chấp nhận vấn đề điều khiển tắc nghẽn mạng giữ vai trò chủ chốt ưu tiên hàng đầu đặc biệt tốc độ, nhu cầu độ lớn mạng gia tăng, độ hội tụ loại liệu khác Mặc dù cố gắng nghiên cứu qua nhiều năm có nhiều phương pháp khác đề nghị mà chưa có giải pháp điều khiển chấp nhận rộng rãi để giải vấn đề tắc nghẽn Nhưng nhận thấy giải pháp mạng hữu trở nên không hiệu giải pháp không dễ dàng nâng cấp Chúng ta hy vọng giải pháp logic mờ hoạt động với mô hình lưu lượng cho thông số phi tuyến tính bất định (hay thay đổi) hệ thống mà cung cấp độ sử dụng mạng cao cho phép sử dụng tài nguyên công nguồn Chúng ta mong muốn giải pháp logic mờ ứng dụng cho lưu lượng có độ ưu tiên cao VBR (tốc độ bit thay đổi dùng cho ứng dụng Video) CBR (tốc độ bit không đổi) mạng WAN mạng LAN Những kết mô chương sau cho ta thấy việc dùng điều khiển mờ đạt Cấu trúc đề tài: Đề tài bao gồm chương: Phần mở đầu: Giới thiệu sơ lược tình hình phát triển mạng ATM dùng thuật toán mờ cho việc giải tránh tắc nghẽn mạng ATM GIỚI THIỆU SVTH : NGUYỄN HOAØNG MINH ... mạng ATM mạng sở cho IP Công nghệ MPLS xem chuẩn thực cho mạng hệ tương lai kết hợp ATM IP Đây sở cho ta nghi? ?n cứu thuật toán thông minh cho mạng MPLS.Ẹe Nghi? ?n cứu đưa đề tài mục đích chứng minh. .. for ATM networks providing max-min fairness”, in Proc 6thIFIP Int, Conf High Performance Networking, Sept 1995 [12] A.Charny, D.D.Clark, and R.Jain ” Congestion Control with Explicit Rate Indication”,... William Stallings, “ High-Speed Networks: TCP/IP and ATM Design Principles” , Prentice Hall International, Inc TÀI LIỆU THAM KHẢO SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH ĐIỀU KHIỂN CHỐNG TẮC NGHẼN TRONG ATM GVHD