Tìm hiểu mạng sdwn trong môi trường không dây và áp dụng giải thuật mab trong việc lựa chọn điểm truy cập mạng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ====o0o==== LUẬN VĂN THẠC SĨ Tìm hiểu mạng SDWN mơi trường khơng dây áp dụng giải thuật MAB việc lựa chọn điểm truy cập mạng ĐÀO ĐỨC HIẾU Hieu.DDCB180196@sis.hust.edu.vn Ngành Công nghệ thông tin Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN ĐỨC TỒN Chữ ký GVHD Viện: CNTT& Truyền thơng HÀ NỘI, 10/2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: ĐÀO ĐỨC HIẾU Đề tài luận văn: Tìm hiểu mạng SDWN mơi trường khơng dây áp dụng giải thuật MAB việc lựa chọn điểm truy cập mạng Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã số SV: CB180196 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 31/10/2020 với nội dung sau: - Trình bày cụ thể việc triển khai Local SDN controller nào, ý nghĩa kiến trúc em gì? Cách vận hành song song với SDN controller truyền thống? Trình bày mục 2.2 Software Defined Wireless Networking (SDWN) - Tìm hiểu kỹ mặt lý thuyết vấn đề/bài tốn MAB (chú ý thay đổi tên gọi, khơng gọi thuật tốn, mà phải gọi vấn đề tốn) Trình bày 1.1.2 Cơng thức tốn MAB - Trình bày kỹ giải thuật UCB1 UCB2 Với kết thực nghiệm em tham khảo báo/nghiên cứu khác được, phải giải thích phân tích sâu kết Trình bày chương 4: mục 4.1 4.2 Kết trình bày mục 5.3 Ngày 26 tháng 11 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Mã đề tài : 2018BMMT-KT05 Theo QĐ số 1684/QĐ-ĐHBK-ĐT-SĐH Hiệu trưởng trường ĐHBK Hà Nội ký ngày 16 tháng 10 năm 2019 Họ tên học viên: Đào Đức Hiếu SHHV: CB180196 Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Lớp: 18BMMT Người hướng dẫn: TS Nguyễn Đức Tồn Đơn vị: Viện Cơng nghệ Thông tin - Truyền thông Tên đề tài (tiếng Việt): Tìm hiểu mạng SDWN mơi trường khơng dây áp dụng giải thuật MAB việc lựa chọn điểm truy cập mạng Tên đề tài (tiếng Anh): To study SDWN in wireless envirorment and apply MAB algorithms in selecting network access point 4/60 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo giảng viên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung thầy cô giáo giảng viên viện Công nghệ Thơng Tin Truyền thơng nói riêng tận tình, nhiệt huyết giảng dạy cho em để em có tảng đại cương vững kiến thức chuyên mơn sâu sắc, làm hành trang hữu ích chặng hành trình đời Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Đức Toàn, người trực tiếp hướng dẫn, hết lịng giúp đỡ em để em hồn thành luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng trình thực kiến thức em hạn chế vì luận văn chắn cịn nhiều thiếu sót Em xin cảm ơn ý kiến đóng góp thầy nội dung hình thức luận văn để tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu tương lai Em xin chân thành cảm ơn! HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên Đào Đức Hiếu 5/60 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Cơ sở khoa học thực tiễn luận văn ➢ Lý lựa chọn đề tài Với phát triển công nghệ thông tin, đặc biệt cơng nghệ máy tính cơng nghệ truyền dẫn, thiết bị đầu cuối tích hợp giao diện kết nối mạng, tăng khả kết nối vào mạng lúc nơi Mặc dù thiết bị đầu cuối có nhiều tuyến đường để từ nguồn đến đích, hiệu định tuyến chưa cải thiện Nguyên nhân chế định tuyến truyền thống thường truyền liệu tuyến đường tối ưu Việc phân bổ lưu lượng mạng nhiều tuyến đường đến đích giảm thiểu chi phí, tăng hiệu cải thiện chất lượng dịch vụ mạng ➢ Tính cấp thiết đề tài Bài tốn phân bổ lưu lượng mạng nhiều tuyến đường thu hút nhiều nghiên cứu Một nghiên cứu cải thiện giao thức TCP để truyền lưu lượng mạng nhiều đường truyền lúc, gọi Multipath TCP Tuy vậy, việc ứng dụng MPTCP chưa phổ biến, cịn nhiều vấn đề tính tương thích với MPTCP ứng dụng vận hành Để phân bổ lưu lượng nhiều tuyến đường mà sử dụng giao thức TCP truyền thống tốn mở cho nhà nghiên cứu Cơng nghệ mạng khả trình (SDWN) cho phép nhà quản trị điều khiển mạng phần mềm Do đó, việc điều khiển mạng có khả áp dụng thuật tốn bổ trợ cho giải thuật tìm đường ngắn để nâng cao hiệu định tuyến Luận văn nghiên cứu thuật toán lựa chọn tuyến đường sử dụng toán MAB để nâng cao hiệu định tuyến mạng SDWN Mục đích đề tài (các kết cần đạt được): Mục tiêu đề tài tìm hiểu mạng khả trình Software Defined Wireless Networking, số thuật toán Multi-Armed Bandit Áp dụng thuật tốn tìm hiểu vào điều khiển định tuyến mạng SDWN Triển khai thí nghiệm để đánh giá hiệu định tuyến mạng Nội dung luận văn Luận văn chia làm [05] chương cụ thể sau: Chương 1: Đặt vấn đề Chương 2: Software Defined Wireless Networking (SDWN) Chương 3: Các phương pháp định tuyến Chương 4: Giải thuật MAB – Đề xuất giải pháp Chương 5: Triển khai 6/60 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 11 Mơ tả tốn 11 Mơ hình hệ thống 11 Cơng thức tốn MAB 13 CHƯƠNG 2: SOFTWARE DEFINED WIRELESS NETWORKING (SDWN) 15 Software Defined Networking (SDN) 15 Lớp ứng dụng (Application layer) 15 Lớp điều khiển (Control layer) 16 Lớp sở hạ tầng (Infrastructure layer) 16 Software Defined Wireless Networking 17 SDN CONTROLLER 17 SDN controller truyền thống 17 Local SDN Controller 18 OpenFlow 22 Flow tables 23 Bảng nhóm 26 Meter Table (Bảng đo) 27 Kênh OpenFlow 28 2.3.4.1 Tin nhắn OpenFlow 29 OpenFlow switch 29 Mininet Wifi 31 Kiến trúc thành phần 32 2.4.1.1 Files 34 2.4.1.2 Classes 34 Mô phương tiện không dây 35 2.4.2.1 Kiểm sốt giao thơng (TC) 35 7/60 2.4.2.2 Wmediumd 36 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN 38 Các nguyên tắc định tuyến 38 Định tuyến đường ngắn 38 Định tuyến đa đường 38 3.1.2.1 Equal-cost multi-path (ECMP) 39 Định tuyến nguồn 39 Tiêu chuẩn hiệu suất mạng 40 Chuyển tiếp chủ động 42 CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT MAB – ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP 44 Upper Confidence Bound, version 44 Thuật toán dựa thuật toán UCB2 45 CHƯƠNG 5: TRIỂN KHAI 48 Cài đặt LAB- Thu thập liệu 48 Máy ảo mininet-wifi/Ubuntu(VM) 48 Khởi tạo mơ hình LAB 49 Kịch thí nghiệm (di chuyển Mobile) 49 Môi trường mô 51 Kết 52 Kết luận 57 8/60 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Học theo khe thời gian 12 Hình 2.1 Kiến trúc SDN 15 Hình 2.2 Mơ hình OpenFlow 22 Hình 2.3 Bảng OpenFlow 23 Hình 2.4 Flow Table OpenFlow phiên 1.3 25 Hình 2.5 Bảng nhóm OpenFlow 26 Hình 2.6 Bảng đo 28 Hình 2.7 Các loại OpenFlow Message 29 Hình 2.8 Các thành phần OpenFlow Switch 30 Hình 2.9 OpenFlow pipeline 30 Hình 2.10 Các thành phần Mininet-WiFi 32 Hình 2.11 Các thành phần kết nối mạng hai máy chủ tạo Mininet-WiFi 33 Hình 3.1 Thơng số hiệu suất mạng 41 Hình 3.2 Mơ hình chuyển tiếp chủ động 42 Hình 5.1 Một mẫu chạy thuật toán dựa khối UCB1 53 Hình 5.2 Một mẫu chạy thuật toán dựa UCB2 53 9/60 TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt SDN Software Define Network Mạng khả trình RTT Round Trip Time Thời gian trọn vòng SLA Service Level Agreements Thỏa thuận cam kết chất lượng dịch vụ QoS Quality of Sevices Chất lượng dịch vụ ITU International Telecommunication Union Liên minh Viễn thông Quốc tế VoIP Voice over IP Truyền thông thoại qua IP L2 Layer Lớp PF Proactive Forwarding Chuyển tiếp chủ động API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng ASIC Application Specific Integrated Circuit Mạch tích hợp ứng dụng cụ thể MAB Multi Armed Bandits Kẻ cướp đa vũ trang UCB1 Upper Confidence Bound, version Giới hạn độ tin cậy trên, phiên VMs Virtual Machines Các máy ảo TAP Traffic Assignment Problem Vấn đề phân luồng giao thông OD Origin - Destination Nguồn - Đích TAPAS Traffic Assignment by Paired Alternative Segments Phân bổ lưu lượng phân đoạn thay ghép nối BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng di động NAP Network Access Point Điểm truy cập mạng NSI Network State Information Thông tin trạng thái mạng QoE Quality of Experience Chất lượng trải nghiệm RL Reinforcement Learning Học tăng cường RHC Rate of Handoff Cost Tỷ lệ chi phí chuyển nhượng Hostapd Host Access Point Daemon 10/60 CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT MAB – ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP Sau hình thành tốn MAB trình bày Chương 1, cần phải thiết kế thuật toán học tập để đạt mục tiêu xác định Trong toán MAB, có nhiều nghiên cứu chứng minh tiếc nuối tăng lên theo lơgarit với số lượt chơi chủ yếu tập trung vào việc thiết kế sách tối ưu đơn hàng có độ phức tạp thấp Do đó, tác giả tn thủ tiêu chí Trên sở này, toán cần giải cố gắng kiểm soát số lượng nhánh chuyển đổi thuật toán học tập Đạt bậc logarit tiếc E [Rπ(t)]; Đạt RHC có kiểm sốt Trong hầu hết thuật tốn học tập có, định lựa chọn nhánh đưa cho lần chơi (vị trí), ý tưởng giảm chi phí phân phối mạng cách trì định cho nhiều lần phát liên tiếp, gọi học tăng cường dựa khối Cụ thể, ta hình dung hai loại mẫu khối: độ dài khối khơng đổi, cịn lại chiều dài khối thay đổi Đối với chiều dài khối không đổi, giữ định hành động cho lượt chơi liên tiếp liên tục Đối với chiều dài khối thay đổi, cần kiểm soát chiều dài khối lớn dần theo thời gian Sau đây, hai thuật toán UCB1 (Upper Confidence Bound version 1) UCB2 trình bày Upper Confidence Bound, version Thuật tốn đề xuất hoạt động sau: Lúc đầu, NAP chọn cho khối, tức m vị trí liên tiếp, m số ngun lớn Sau đó, mạng tối đa hóa 𝑟̂𝑛 +√ 2𝑚 log 𝑘 𝛾𝑛 chọn để khối, k số khối, 𝑟̂𝑛 giá trị trung bình mẫu phần thưởng cho truyền mạng n, γn số khối mạng n chọn [1] STT Thuật toán 1: Thuật toán khối UCB1 1: Initiate: Khối chiều dài m , số mạng N 2: loop 3: if k ≤ N then 4: Chọn δ(k)=k cho khối gồm m khe 5: else 44/60 STT Thuật toán 1: Thuật toán khối UCB1 6: Chọn 𝛿(𝑘) = 𝑎𝑔𝑟 max {𝑟̂𝑛 + √ 7: end if 2𝑚 log 𝑘 𝛾𝑛 𝑛∈𝑁 } 𝑔𝑚 8: Cập nhật 𝛾𝛿(𝑘) = 𝛾𝛿(𝑘) + 1, 𝑟̂𝛿(𝑘) = 9: end loop ∑𝑘+1 𝑔=1 ∑𝑡=(𝑔−1)𝑚+1 𝐼{𝛿(𝑡)=𝛿(𝑘)}𝑟(𝑡) 𝛾𝛿(𝑘) Công thức 4.1: Giá trị hối tiếc thuật toán khối UCB1 tối ưu bậc, tức 𝐸 [𝑅𝑏𝑙𝑜𝑐𝑘 (𝑡)] ≤ ∑ 𝑛:𝜇𝑛