Mô hình kết hợp logic mờ và giải thuật di truyền cho bài toán quán lý hàng đợi tích cực trên mạng TCP/IP


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI




NGUYỄN PHƢƠNG HUY




MÔ HÌNH KẾT HỢP LOGIC MỜ VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC
TRÊN MẠNG TCP/IP






LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG









Hà Nội – Năm 2014


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI




NGUYỄN PHƢƠNG HUY




MÔ HÌNH KẾT HỢP LOGIC MỜ VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC
TRÊN MẠNG TCP/IP


02.08



LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG



1. PGS. TS. Lê Bá Dũng
2. PGS. TS. Nguyễn Chấn Hùng

Hà Nội – Năm 2014
i
1. LỜI CAM ĐOAN

“Mô hình kết hợp logic mờ và giải thuật di truyền
cho bài toán quản lý hàng đợi tích cực trên mạng TCP/IP” 

Các s liu trong luc s dng là trung thc, mt phc công b trên
các tp chí khoa hc chuyên ngành vi s ng ý và cho phép cng tác gi.
Phn còn lc ai công b trong bt k công trình nào khác.

14 tháng 1 4
án

Nguyễn Phƣơng Huy


ii
2. LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày t lòng bin PGS.TS.  - Vin công ngh
thông tin và PGS.TS. Nguyn Chn Hùng - B môn H thng vin thông - Vin n
t Vin thông - i hc Bách Khoa Hà Nng dn, to mu kin
thun li, giúp tôi thc hin và hoàn thành lun án này.
Tôi xin trân trng c PGS.TS.  cùng các thy cô giáo trong b
môn H thng vin thông - Vin t Vin thông - i hc Bách khoa Hà ni 
tu ki tôi trong thi gian tôi tham gia sinh hot khoa hc ti b môn.
c gi li ct ti Ban giám hii hc K
thut công nghip - i hc Thái nguyên, các anh ch, bng nghip b môn
n t vin thông, n t, i hc K thut công nghip 

t qua m hoàn thành tt công vic nghiên cu
ca mình.
Tôi bi          ng
viên, to u kin thun li nh tôi có th hoàn thành bn lun án.
14 tháng 01 4


Nguyễn Phƣơng Huy










iii
3. MỤC LỤC

L i
LI C ii
MC LC iii
DANH MC CÁC KÝ HIU VÀ CH VIT TT viii
DANH MC CÁC HÌNH  TH xi
DANH MC CÁC BNG BIU xiv
M U 1
I TÍCH CC TRÊN MNG
TCP/IP 7

1.1. Gii thi 7
1.2. Mu khin tc nghn 7
1.2.1. Truyn s liu trên mng TCP/IP 7
1.2.2. Các gii thuu khin tc nghn theo giao thc TCP 8
1.2.2.1. Giao thc TCP 8
1.2.2.2. Mt s thut ng 9
1.2.2.3. Các gii thut tránh tc nghn trên mng TCP/IP 10
1.3. Qun thng (th ng) 12
1.4. Qui tích cc 12
1.4.1. Khái nim qui tích cc 12
1.4.2. Phân loi tích cc 13
1.5. Hin trng nghiên cp cn bài toán AQM trong các
nghiên c 14
1.5.1. a trên chii 14
1.5.1.1. c nghn rõ ECN 14
1.5.1.2.  hy b sm ngu nhiên RED 15
1.5.1.3.  hu b sm ngu nhiên theo trng s WRED 16
1.5.1.4. Gii thut loi b ngu nhiên sm thích nghi 17
1.5.1.5. Gii thut loi b ngu nhiên sng - Dynamic RED 18
iv
1.5.1.6. Gii thut loi b ngu nhiên sm nh hóa 18
1.5.1.7. Phát hin sm ngu nhiên cân bng FRED 19
1.5.2. Qui tích cc da trên t n 20
1.5.2.1. Gii thut BLUE 21
1.5.2.2. Gii thut SFB 21
1.5.2.3. Gii thut phát hin sm da trên cân bng chn lc SFED 22
1.5.2.4. Gii thui o thích nghi AVQ 23
1.5.2.5. Gii thui o thích nghi nâng cao 24
1.5.2.6. Gii thut Yellow 24
1.5.2.7. B u khin tích phân t l (Proportional Integral-PI) 24

1.5.3. Các gii thut AQM da trên s kt hp gi i và kim soát
n 25
1.5.3.1. u ng 25
1.5.3.2. Gii thut b m o nh hóa (SVB) 26
1.5.3.3. Gii thut AQM di và trng thái ti 27
1.5.3.4. Gii thut Raq 27
1.5.4. Mt s gii thut AQM ng dng logic m 27
1.6. Mt s v ln còn tn ti vi bài toán AQM 29
1.7. La chp cn bài toán trong lun án 31
1.8. Tng k 32
T HP DI TRUYN M VÀ NG DNG 33
2.1. Gii thi 33
2.2. Tng quan v tính toán mm 33
2.3.  toán hc ca logic m 34
2.3.1. Tp m 34
2.3.2. Các phép toán trên tp m 35
2.3.3. Lut nu thì m 37
2.3.4. Suy din m 38
2.3.5. Mt s mô hình suy lun m 41
2.4. Gii thut di truyn 43
v
2.4.1. Gii thiu 43
2.4.2. c quan trng trong vic áp dng gii thut di truyn 44
2.4.3. Các phép toán ca gii thut SGA 45
2.4.4.  toán hc ca GA 46
2.4.4.1. Các khái nim và ký hiu 46
2.4.4.2. nh lý gi 46
2.4.5.  xut gii thut di truyn ci tin MGA 48
2.4.5.1. Mã hoá 49
2.4.5.2. Hàm thích nghi 50

2.4.5.3. Lai to 51
2.4.5.4. t bin 51
2.4.5.5. ánh giá 52
2.5. Hin trng nghiên ct hp GA vi FL 53
2.5.1. Nn tng ca vic kt hp 53
2.5.2. Phân loi k thut kt hp 54
2.6.  xut mô hình kt hp di truyn m cho các bài toán AQM 56
2.6.1. H u khin di truyn m cho bài toán AQM 56
2.6.2. Xây dng b u khin m cho bài toán AQM 57
2.6.3. Chnh b u khin m cho bài toán AQM bng MGA 59
2.7. Tng k 61
N M CHO BÀI TOÁN CI TIN GII
THUT RED_AQM 63
3.1. Gii thi 63
3.2. Xây dng h m cho bài toán RED_AQM 64
3.2.1. nh các yu t u vào và ra ca b u khin m AQM 64
3.2.2. To m các hàm liên thuc m cho mu ra 66
3.2.2.1. Mô t các bin ngôn ng 66
3.2.2.2. La chn hàm liên thuc 67
3.2.3. Xây d quy tc suy din m mà h thng s hong theo 68
3.2.4. Quyng s c thc hin cho mi lut 70
vi
3.2.5. Kt hp các lut và gii m  u ra. 70
3.2.6. Ví d minh ha tính toán u khin 72
3.3. Gii thut di truyn m cho AQM 73
3.3.1.  h thng di truyn m RED  AQM 73
3.3.2. t các phép toán di truyn 73
3.3.3. Xây dng phn mm mô phng 75
3.4. nh ca các gii thut AQM trên mng TCP/IP 80
3.4.1. ng hng v hành vi ca TCP 80

3.4.2. H thu khin AQM 81
3.4.3. Phân tích s nh ca gii thut AQM 83
3.4.4. nh hóa luu khin AQM 85
3.4.5. Kim chng tính nh ca gii thut AQM qua mô phng Matlab 85
3.5.  hong ca gii thut FUZZGA 89
3.6. Tng k 95
N M CHO BÀI TOÁN CI TIN GII
THUT REM_AQM 97
4.1. Gii thi 97
4.2. Nhc li gii thut REM 97
4.3. H m cho bài toán ci tin gii thut REM 98
4.4. Gii thut di truyn ci tin MGA cho chnh h m REM 101
4.5. Mô phi thut FGREM trên mc nghn 106
4.5.1. La chn các tham s mô phng 106
4.5.2. i c 107
4.5.3. T ng c 110
4.5.4. ng ca tr  111
4.5.5. ng ca thông s t 113
4.6. Mô phng và ánh giá gii thut FGREM vi mng  tc nghn 114
4.6.1. Cu trúc mng mô phng 114
4.6.2. nh ng ca lu lng ti và tc  áp ng 115
4.6.3. ng ca tr  119
vii
4.7. Tng k 120
KT LUN VÀ NG PHÁT TRIN 122
DANH MC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG B CA LUN ÁN 124
TÀI LIU THAM KHO 125
PH LC A 131
PH LC B 132
4.

viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
ACK
Acknowledgement

AI
Artificial Intelligence

AIMD
Additive Increase Multiplicative-
Decrease
ng gim nhân
AQM
Active Queue Management
Qui tích cc
ARED
Adaptive Random Early Detection
Phát hin sm ngu nhiên
thích nghi
AVQ
Adaptive Virtual Queue
Gii thut i o thích
nghi
CE
Congestion Experienced
Ch th tc nghn
CWND

Congestion Window
Ca s tc nghn
DRED
Dynamic Random Early Detection
 
 
DT
Drop Tail
 loi b cui hàng
DVP
Droping Probability
Xác sut loi b gói
EAVQ
Enhanced Adaptive Virtual Queue
Gii thut i o thích
nghi nâng cao
ECN
Explicit Congestion Notification
Thông báo tc nghn rõ ràng
ES
Expert System

FGREM
Fuzzy Genetic Random Exponential
Marking
 


FIFO
First In First Out

i phc v theo kiu
c
FIS
Fuzzy Inference System

ix
FL
Fuzzy Logic

FLC
Fuzzy Logic Controller

FRED
Fairness Random Early Discard
Loi b sm ngu nhiên cân
bng
FS
Fuzzy system

GA
Genetic Algorithm

IP
Internet Protocol
Giao thc Internet
MATLAB
MATrix LABtory

MF
Membership Function


MGA
Modified Genetic Algorithm

MPD
Mark Probability Denominator

NS2
Network Simulator 2

Network Simulator 2
PI
Proportional Integral

PH
Packet Header

QL
Queue Limit

QoS
Quality of Service

RED
Random Early Discard

REM
Random Exponential Marking



RTP
Realtime Protocol
Giao thc thi gian thc
RTT
Round Trip Time


SC
Soft computing

SFED
Selective Fair Early Detection
Phát hin sm da trên cân
bng chn lc
SGA
Simple Genetic Algorithm

x
SRED
Stabilized Random Early Discard
i b ngu
nhiên sm nh hóa
SVB
Stabilized Virtual Buffer

TCP
Transport Control Protocol
Giao thu khin truyn
ti
TOS

Type Of Service
Loi dch v
TQL
Target Queue Length
Chii tham
chiu
UDP
User Data Protocol
Giao thc d lii s
dng
WRED
Weighted Random Early Detection
i b sm
ngu nhiên có trng s
5.

xi
6. DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Kin trúc mng n gin. 7
Hình 1.2. Hing Time out 9
Hình 1.3. Nguyên lý ca s tc nghn 10
Hình 1.4. Nguyên lý ca vic lp li ba bn tin báo nhn 10
Hình 1.5. Thut toán khu chm, truyn li nhanh và khôi phc nhanh [55] 11
Hình 1.6. Phân loi tích cc [64] 14
Hình 1.7. Gii thut RED truyn thng [19] 15
Hình 1.8. Gii thut RED v 16
Hình 1.9.  ch loi b gói tin ca WRED [62] 17
Hình 1.10. Ví d v SFB[64] 22
Hình 1.11. Thc hin b u khin PI [12],[13] 25

Hình 2.1. Các k thut tính toán mm hình thành nên tính toán thông minh 33
Hình 2.2. Mt s dng hàm liên thun 35
Hình 2.3. Hàm liên thuc ca bin ngôn ng T(tui) 37
Hình 2.4. Mô hình suy lun m vi mt lut-mt ti 39
Hình 2.5. Mô hình suy lun m mt lut-nhiu ti 40
Hình 2.6. Mô hình suy lun m hai lut hai ti 40
Hình 2.7. Mô hình suy din m Mamdani 42
Hình 2.8. Mô hình m Sugeno 42
Hình 2.9. Mô hình suy lun m Tsukamoto 43
Hình 2.10.  49
Hình 2.11. Quá trình lai to 51
Hình 2.12. Hong ca gii thut MGA và SGA 52
Hình 2.13. S d ci tin hiu sut h thng M 54
Hình 2.14. Kin trúc ca h thu khin t ng gii thut di truyn 55
Hình 2.15. Mô hình chnh mô hình m bng MGA 56
Hình 2.16.   [37] 58
Hình 2.17. Ví d minh ha ng ca lai tn dng hàm liên thuc [66] 60
xii
Hình 2.18. Ví d minh ha ng ca t bin dng hàm liên thuc [66] 61
Hình 3.1. Mô hình h thu khin m cho AQM 65
Hình 3.2. u vào b u khin m 68
Hình 3.3. u ra b u khin m 68
Hình 3.4. Mt suy din ca b u khin m 70
Hình 3.5. H lut ca b u khin m 71
Hình 3.6. Ví d minh hu khin[9] 72
Hình 3.7.  h thu khin AQM tng quát 73
Hình 3.8. Mt nhim sc th cho chui mã hoá 74
Hình 3.9. H mc xây dng t h luc khi dùng MGA 79
Hình 3.10. H m nh các biu vào và ra (dùng MGA) 80
Hình 3.11. Mô hình h thng mng TCP/IP 81

Hình 3.12. Mô hình phân tách tuyn tính cho bài toán AQM [13] 83
 khi h thu khin AQM tuyn tính [13] 84
 khi h thu khin phn hi AQM [13] 84
Hình 3.15. Biu din nút c chai t A sang B 85
Hình 3.16. Gói d liu ra tim cn vói gói d liu yêu cu TQL=200 88
Hình 3.17. Tín hiu khiên m và tín hiu sai s 88
Hình 3.18. Gói tín hiu ra bám tín hiu yêu cu (dùng MGA) 89
Hình 3.19. Tín hiu khin và tín hiu sai s (dùng MGA) 89
Hình 3.20. Tình tri vi luu khin m cho RED và FUZZGA .90
Hình 3.21. T l mt gói ca RED và FUZZGA-AQM 91
Hình 3.22. Hiu sut qui ca RED và FUZZGA 91
Hình 3.23. Cu hình mng cho mô phng [21] 93
Hình 3.24. Tình tri ca FPI và PI [21] 94
Hình 3.25. Tình tri ca FUZZGA và PI 94
Hình 4.1. H m cho bài toán REM AQM 98
Hình 4.2. Các hàm liên thuu vào m
()
r
P kT
100
Hình 4.3. Các hàm liên thuu vào m
()
r
P kT T
100
Hình 4.4. Mt suy din th hin các lut suy lun m 101
xiii
Hình 4.5. Giá tr các hàm liên thuu vào
()
r

P kT
sau khi luyn mng 105
Hình 4.6. Giá tr các hàm liên thuu vào
()
r
P kT T
sau khi luyn mng 105
Hình 4.7. Mt suy din th hin các lut suy lun m sau khi luyn mng 105
Hình 4.8. Cu trúc mc nghn cho mô phng 107
i c pháp AQM 108
i ci
110
i c 112
Hình 4.12. Hiu sut s dng tuyn theo tr i trung bình c
AQM 113
Hình 4.13. Hiu sut s dng tuyn theo bin thiên  tr ca png pháp AQM 113
Hình 4.14. T l mt gói c ti 114
Hình 4.15. Hiu sut s dng tuyn so vi tr khi thông s ti i 114
Hình 4.16. Cu trúc mng  tc nghn 115
Hình 4.17. Kích tc hàng i ca các ng pháp AQM khi N=800 lung 116
Hình 4.18. T l mt gói ca các gii thut AQM khi  ng ti t 250-800 117
Hình 4.19. Hiu sut s dng tuyn so vi tr trung bình và bin thiên  tr khi ng
lng t 250-800 118
Hình 4.20. T l mt gói, tr và bin thiên tr khi RTT=200 ms 118
Hình 4.21. Kích tc hàng i ca các ng pháp AQM khi RTT=200 ms 119
7.
xiv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bng 1.1. Tng kt mt s  dng logic m 28

Bm gia FL và GA (-:Yu, V:Mnh) 53
Bng 2.2.Phân loi vic kt hp gia các h thng Di truyn và M [41] 54
B lut  các lut ngôn ng [9] 68
Bng 3.2. Mt s th tc khai báo trong mga.h 76
Bng 3.3. Mt s th tc khai báo trong mga.cc 77
Bng 3.4. Mt s th tc khai báo trong fuzzga.h 77
Bng 3.5. Mt s th tc khai báo trong fuzzga.cc 78
Bng 3.6. Kt qu ng các tham s ca mng vi hai thut toán AQM 90
Bng 3.7. Mt s m ca hai thut toán FUZZGA và FPI 92
Bng 3.8. Kt qu ng các tham s ca mng vi FUZZGA và PI 95
Bng 4.1: Các tham s ca REM 98
Bng 4.2. H lut m cho bài toán REM AQM [24] 101
Bng 4.3. Các giá tr tham s u khin c 106
1

8. MỞ ĐẦU

1. Tính khoa học và cấp thiết của luận án



. 
  
 
.
               (Active Queue
Management  AQM)  TCP/IP

    phù
luôn duy trì   

. 

 dao 
(Quality of
Service QoS)  [5],[51].
 ba 
 ( 
 - Random Early Discard - RED),  (
Blue)  
   (            - Random
Exponential Marking - REM) [64].

trên,   [51],[59], [64]. Các công trình này
 RED, Blue, REM các p

sao cho nâng cao tính thông
 tron
 
Các  khi

2

          
trong các  
(Soft computing - SC) 

i    
sao cho   và
thông minh trong quá trình mô hình
. Nó khai t



 [30],[37].
 
2  
(Genetic Algorithm - GA) và  (Fuzzy logic - FL). Trong  GA 
 còn FL tính toán
. Các pung cho nhau thay vì
 qua
hai 




cmô
tìm ra các  



 

(Simple Genetic Algorithm - SGA) [22].

.
ình 
(Modified Genetic Algorithm  MGA) M áp 
 
trong các ho 

3


 ( 
 ) 



.
 này  
 

khác.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

 [30][37]. 
a

MGA hay FL 
k

gi REM.
MGA và FL  
. 



 
GA 
FL sao ch,   rút
 

  
.
 AQM có vai trò
    TCP/IP
   

  là
. 
4

trên hai bài toán AQM 
h các 
 , và 
3. Mục tiêu của luận án

hai AQM trên
TCP/IP.

hai bài toán AQM khác nhau:
-  

- FL  
.
P thông qua
 


 

4. Phƣơng pháp luận nghiên cứu

phân tích 
t 
các   bài toán AQM 
 
 .
5. Nội dung và bố cục của luận án
 Nội dung của luận án bao gồm các kết quả nghiên cứu sau:
1-  ; c
; 

2-   trong là FL, GA;
c 
 (

 ).
5

3-  

4-   
 . h 

5- FL 
 . 



Với nội các dung trên, luận án được bố cục thành bốn chương cụ thể như sau:
 Chương 1: Bài toán quản lý hàng đợi tích cực trên mạng TCP/IP -  
c àm

bài toá 
 c

AQMhai
  RED và REM -FL
 Chương 2: Mô hình kết hợp di truyền mờ và ứng dụng -    
g tính toá
2 là FL và GA

  MGA 

MGA và FL 
 Chương 3: Mô hình di truyền mờ cho bài toán cải tiến giải thuật RED_AQM -
Trong chtrong 
                

 AQM 
 so sánh 

GA  
 Chương 4: Mô hình di truyền mờ cho bài toán cải tiến giải thuật REM_AQM -

 REM_AQM. 
6

3, 4 là 
phân tích c


 Cuối cùng 


6. Các đóng góp mới của luận án
 

 


- 
 
. [1],
[3], [4].
- AQM 

[1], [8].
- FL AQM 

trình [2], [3], [10].
  
cho  bài  
 


7

1. CHƢƠNG 1
BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC
TRÊN MẠNG TCP/IP
1.1. Giới thiệu chƣơng

AQM.

 
 TCP/IP, 
, cho 
AQM. 
 AQM



1.2. Mạng TCP/IP và bài toán điều khiển tắc nghẽn
1.2.1. Truyền số liệu trên mạng TCP/IP

Hình 1.1.  mng n gin.
Tr
gói tin.   
 tin (Packet Header - PH). M
PH PH 


 rình


 
8

  
n 
   và
  [19], [55].
 


cho các  

[28], [55].

t bên trong  
  
 
 

 út  


 , không chuy gây
 
, 
  
 
 
TCP/IP  
i .
1.2.2. Các giải thuật điều khiển tắc nghẽn theo giao thức TCP
1.2.2.1. Giao thc TCP
- Transmission Control Protocol (TCP) 








9

1.2.2.2. Mt s thut ng

 Bản tin báo nhận (Acknowledgement - ACK): L 


Hình 1.2).
 Timeout: 


 Bộ đệm: 

 Tắc nghẽn : Lng bão hòa, 

       

+
Hình 1.2. 
 Cửa sổ tắc nghẽn (Congestion Window - cwnd): L

ACK.  

 Thời gian cho một chu trình của gói tin (Round Trip Time - RTT): 

