Tài liệu Giáo trình: Cơ sở mạng thông tin pdf

Giáo trình Cơ sở mạng thông tin . . . . . . . . . Cơ sở mạng thông tin Giáo trình dành cho sinh viên đại học ngành Điện tử - Viễn thông Khoa Điện tử Viễn Thông Trường Đại học Bách khoa Hà nội 2 . . . . . . . . . Mục lục Mục lục hình vẽ 4 Mục lục bảng biểu 5 Chương 1 Giới thiệu 1 Chương 2 Hàng đợi – Các hệ thống thời gian liên tục 2 Chương 3 Mạng hàng đợi 36 Chương 4 Định tuyến trong mạng thông tin 37 Chương 5 Điều khiển luồng và chống tắc nghẽn 86 Chương 6 Kỹ thuật mô phỏng 127 Tài liệu tham khảo 135 3 . . . . . . . . . Mục lục hình vẽ Hình 2-1 Mô hình chung của hệ thống hàng đợi 2 Hình 2-2: Ví dụ về mạng hàng đợi mở 3 Hình 2-3 Ví dụ về mạng hàng đợi đóng 3 Hình 2-4 Hệ thống hàng đợi đơn giản 5 Hình 2-5. Các sự kiện đến trong thời gian Δt 6 Hình 2-6: Các sự kiện đi trong thời gian Δt 6 Hình 2-7 Khoảng thời gian sử dụng để định nghĩa tiến trình 13 Hình 2-8 15 Hình 2-9. Chuỗi Markov của một quá trình sinh-tử 17 Hình 2-10 Chuỗi Markov của hàng đợi M/M/1 18 Hình 2-11 20 Hình 2-12 20 Hình 2-13 Lưu lượng mang (mật độ)( bằng số thiết bị bận) là một hàm thời gian (đường cong C). Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian T (đường cong D) 22 Hình 2-14 Thuật toán xếp hàng theo mức ưu tiên 31 Hình 2-15 Xếp hàng cân bằng trọng số 32 Hình 2-16 Một số loại hàng đợi đơn server thường gặp 34 Hình 4-17. Hàng chờ bên trong router 40 Hình 4-18. Duyệt cây 42 Hình 4-19. Các thành phần 46 Hình 4-20. Phép tính Minimum Spanning Tree ( MST) 54 4 . . . . . . . . . Mục lục bảng biểu 5 Chương 1 Giới thiệu 1.1. Mục đích của việc mô hình hóa và đánh giá đặc tính hoạt động của hệ thống 1.2. Các khái niệm cơ bản trong hệ thống thong tin 1.3. Các bước và phương pháp đánh giá một mạng thông tin 1.3.1. Đo đạc, thu tập kế quả thống kê 1.3.2. Mô hình hóa toán học 1.3.3. Mô phỏng 1.4. Các công cụ phục vụ cho việc đánh giá chất lượng hoạt động của mạng Chương 2 Hàng đợi – Các hệ thống thời gian liên tục 2.1. Giới thiệu lý thuyết hàng đợi 2.1.1. Hàng đợi và đặc điểm Trong bất cứ một hệ thống nào thì khách hàng đi đến các điểm cung cấp dịch vụ và rời khỏi hệ thống khi dịch vụ đã được cung cấp. Ví dụ: Các hệ thống điện thoại: khi số lượng lớn khách hàng quay số để kết nối đến một trong những đường ra hữu hạn của tổng đài. Trong mạng máy tính: khi mà gói tin được chuyển từ nguồn tới đích và đi qua một số lượng các nút trung gian. Hệ thống hàng đợi xuất hiện tại mỗi nút ở quá trình lưu tạm thông tin tại bộ đệm. Hệ thống máy tính: khi các công việc tính toán và tuyến làm việc của hệ thống yêu cầu dịch vụ từ bộ xử lý trung tâm và từ các nguồn khác. Những tình huống này được diễn tả bằng hình vẽ sau: Hình 2-1 Mô hình chung của hệ thống hàng đợi Người ta mô tả tiến trình đến và tiến trình phục vụ như thế nào? Hệ thống có bao nhiêu server? Có bao nhiêu vị trí đợi trong hàng đợi? Có bất kỳ quy tắc nội bộ đặc biệt nào không (yêu cầu dịch vụ, mức độ ưu tiên, hệ thống còn rỗi không)? Đặc điểm của hệ thống hàng đợi Miêu tả của tiến trình đến (phân bố khoảng thời gian đến) Miêu tả của tiến trình phục vụ (phân bố thời gian phục vụ) Số lượng server Số lượng các vị trí đợi Các quy tắc hàng đợi đặc biệt: 2 Quy tắc phục vụ (FCFS, LCFS, RANDOM) Thời gian rỗi (phân bố thời gian rỗi, khi mà thời gian rỗi bắt đầu ) Mức độ ưu tiên Những luật khác Với một mạng cụ thể của hàng đợi gồm có các thông tin sau: Sự kết hợp giữa các hàng đợi Chiến lược định tuyến: Xác định (Deterministic) Dựa vào một lớp Thống kê Xử lý nghẽn mạng (khi bộ đệm tại đích bị đầy) Số lượng khách hàng bị suy giảm Hàng đợi gốc bị nghẽn Tái định tuyến Chúng ta sẽ xem xét ví dụ về các mạng hàng đợi đơn giản khác Hình 2-2: Ví dụ về mạng hàng đợi mở Hình 2-3 Ví dụ về mạng hàng đợi đóng 3 Phân tích hệ thống hàng đợi hoặc mạng hàng đợi bao gồm: Phân tích giải tích Quá trình mô phỏng Cả hai phương pháp trên Kết quả giải tích đạt được: Yêu cầu ít tính toán Đưa ra kết quả chính xác (không xảy ra lỗi xác suất) Những kết quả thu được (các thông số dịch vụ) được chia thành hai nhóm lớn: Dành cho người sử dụng Dành cho các nhà cung cấp phục vụ Thông số quan trọng cho người sử dụng: Trễ hàng đợi Tổng trễ (bao gồm trễ hàng đợi và trễ phục vụ ) Số lượng khách hàng trong hàng đợi Số lượng khách hàng trong hệ thống (gồm khách hàng chờ và khách hàng đang được phục vụ ) Xác suất nghẽn mạng (khi kích thước bộ đệm hữu hạn) Xác suất chờ để phục vụ Thông số quan trọng cho các nhà cung cấp dịch vụ: Khả năng sử dụng server Khả năng sử dụng bộ đệm Lợi ích thu được (thông số dịch vụ và các xem xét về kinh tế) Lợi ích bị mất (thông số dịch vụ và các xem xét về kinh tế) Đáp ứng nhu cầu của người sử dụng Chất lượng dịch vụ (QoS): Tổn thất (PDF, mean) Trễ (PDF, mean) Jitter (PDF, mean) Đưa ra các thông số trên để thu được: Hàm phân bố xác suất Các giá trị trung bình Đo được các thời điểm cực đại, cực tiểu 4 Các hàm phân bố xác suất chứa đựng đầy đủ các thông tin liên quan đến các thông số quan tâm. Tuy nhiên, việc thiết lập được các hàm này là khó thực hiện. Phân tích hệ thống hàng đợi được chia thành: Phân tích ở thời gian ngắn (dựa trên một thời điểm nhất định) Phân tích trong một khoảng thời gian (trạng thái ổn định) – (dựa trên tham số vô hạn) Cấu trúc logic của phân tích hệ thống hàng đợi Đo được nhiều thông số thống kê: mean-mean, moments, transform, pdf Phân tích thời gian ngắn sử dụng cho các trừong hợp đơn giản- sử dụng các phương pháp mô phỏng hay xấp xỉ Việc phân tích chính xác không thể cho áp dụng cho quá trình ổn định- sử dụng các phương pháp xấp xỉ, nếu không thì dùng các phương pháp mô phỏng. Tiếp theo chúng ta sẽ có các kết luận sau: Kết luận chung: các giả thiết liên quan đến đặc tính và cấu trúc của hệ thống hàng đợi đạt được kết quả chính xác ít nhất là cho các thông số hiệu năng trung bình với điều kiện ổn định. 2.1.2. Các tham số hiệu năng trung bình Ví dụ về hệ thống hàng đợi đơn giản Hình 2-4 Hệ thống hàng đợi đơn giản λ - tốc độ đến trung bình , thời gian đến trung bình -1/λ µ - tốc độ phục vụ trung bình, thời gian phục vụ trung bình 1/µ Với kích thước của bộ đệm là vô hạn, quy tắc phục vụ là FCFS (đến trước phục vụ trước ) Xét khoảng thời gian Δt, và xét những sự kiện đến trong khoảng thời gian này: 5 [...]... nhận các bản tin đến tốc độ 240bản tin/ phút Độ dài bản tin có phân bố hàm mũ với chiều dài trung bình là 100 ký tự Tốc độ truyền bản tin đi khỏi hệ thống là 500 ký tự/giây Tính các tham số sau : Thời gian trung bình của bản một tin trong hệ thống Số bản tin trung bình trong hệ thống Tính chiều dài hàng đợi và thời gian đợi trung bình Bài giải: Xét hệ thống M/M/1: Tốc độ đến λ = 240 = 4 bản tin/ giây 60... cấu hình dựa vào các số liệu thống kê về tình hình hoạt động của mạng và không tự động thích nghi khi điều kiện của mạng thay đổi (Hình 2.14) Hình 2- 14 Thuật toán xếp hàng theo mức ưu tiên Xếp hàng tuỳ biến (Custom Queuing) CQ được tạo ra để cho phép các ứng dụng khác nhau cùng chia sẻ mạng với các yêu cầu tối thiểu về băng thông và độ trễ Trong những môi trường này, băng thông phải được chia một... có thể là Erlang giây, nhưng thông thường đơn vị Erlang giờ thường sử dụng nhiều hơn) Lưu lượng mang không thể vượt quá số lượng của đường dây Một đường dây chỉ có thể mang nhiều nhất một Erlang Doanh thu của các nhà khai thác tỷ lệ với lưu lượng mang của mạng viễn thông Đối với điện thoại cố định thường thì có Ac =0,01÷0,04 Erl Đối với cơ quan : 0,04÷ 0,06 Erl Tổng đài cơ quan: 0,6 Erl Điện thoại trả... trữ gói thông tin khi mạng bị tắc nghẽn và rồi chuyển tiếp các 30 gói đi theo thứ tự mà chúng đến khi mạng không còn bị tắc nữa FIFO trong một vài trường hợp là thuật toán mặc định vì tính đơn giản và không cần phải có sự thiết đặt cấu hình nhưng nó có một vài thiếu sót Thiếu sót quan trọng nhất là FIFO không đưa ra sự quyết định nào về tính ưu tiên của các gói cũng như là không có sự bảo vệ mạng nào... đơn giản nhất của hệ thống hàng đợi 2.2 Nhắc lại các khái niệm thống kê cơ bản 2.2.1 Tiến trình điểm Các tiến trình đến là một tiến trình điểm ngẫu nhiên, với tiến trình này chúng ta có khả năng phân biệt hai sự kiện với nhau Các thông tin về sự đến riêng lẻ (như thời gian phục vụ, số khách hàng đến) không cần biết, do vậy thông tin chỉ có thể dùng để quyết định xem một sự đến có thuộc quá trình hay... nhau được phân bố theo hàm mũ Tiến trình đến Poisson sử dụng trong lưu lượng viễn thông của mạng chuyển mạch gói và mạng máy tính Thêm vào đó tiến trình Poisson đã được sử dụng để mô tả các tiến trình nhiễu và để nghiên cứu hiện tượng các hố điện tử xuất hiện trong chất bán dẫn, và trong các ứng dụng khác … Ba vấn đề cơ bản được sử dụng để định nghĩa tiến trình đến Poisson Xét một khoảng thời gian... độ đến λ = 240 = 4 bản tin/ giây 60 Tốc độ phục vụ µ = 500 =5 100 Mật độ lưu lượng ρ = λ 4 = = 0.8 µ 5  Số bản tin trong hệ thống L=E(n)= ρ 0.8 = = 4 bản tin 1 − ρ 1 − 0.8  Thờigian trung bình của bản tin trong hệ thống W= L 4 = = 1 (s) λ 4  Chiều dài hàng đợi L q ρ2 0,8.0,8 = = 3,2 bản tin Lq = 1 − ρ 1 − 0,8 19  Thời gian đợi trung bình W q Wq = L ρ2 3,2 = q = = 0,8 (s) λ (1 − ρ ) λ 4 2.4.4 Hàng... thuyết lưu lượng viễn thông chúng ta thường sử dụng thuật ngữ lưu lượng để biểu thị cường độ lưu lượng, tức là lưu lượng trong một đơn vị thời gian Thuật ngữ về lưu lượng có nguồn gốc từ tiếng ý và có nghĩa là “độ bận rộn” Theo (ITU-T,1993) định nghĩa như sau: Cường độ lưu lượng: Mật độ lưu lượng tức thời trong một nhóm tài nguyên dùng chung là số tài nguyên bận tại thời điểm đó Nhóm tài nguyên dùng chung... một cách tỉ lệ cho những ứng dụng và người sử dụng CQ xử lý lưu lượng bằng cách gán cho mỗi loại gói thông tin trong mạng một số lượng cụ thể không gian hàng đợi và phục vụ các hàng đợi đó theo thuật toán round -robin (roundrobin fashion) Cũng giống như PQ, CQ không tự thích ứng được khi điều kiện của mạng thay đổi (hình 2.15) 31 ... lượng lớn đột ngột có thể là tăng độ trễ của các lưu lượng của các ứng dụng thời gian thực vốn nhạy cảm về thời gian FIFO là thuật toán cần thiết cho việc điều khiển lưu lượng mạng trong giai đoạn ban đầu nhưng với những mạng thông minh hiện nay đòi hỏi phải có những thuật toán phức tạp hơn, đáp ứng được những yêu cầu khắt khe hơn Xếp hàng theo mức ưu tiên (PQ - Priority Queuing) Thuật toán PQ đảm bảo . Giáo trình Cơ sở mạng thông tin . . . . . . . . . Cơ sở mạng thông tin Giáo trình dành cho sinh viên đại học ngành Điện tử - Viễn thông Khoa. 2 Chương 3 Mạng hàng đợi 36 Chương 4 Định tuyến trong mạng thông tin 37 Chương 5 Điều khiển luồng và chống tắc nghẽn 86 Chương 6 Kỹ thuật mô phỏng 127 Tài liệu