ứng dụng phương pháp giảm bậc mô hình trong xây dựng cấu trúc mạng quản lý viễn thông

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP GIẢM BẬC MÔ HÌNH
TRONG XÂY DỰNG CẤU TRÚC MẠNG
QUẢN LÝ VIỄN THÔNG






Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số:
Học viên: NGUYỄN ANH TUẤN
Ngƣời HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG

THÁI NGUYÊN, 2011


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP GIẢM BẬC MÔ HÌNH
TRONG XÂY DỰNG CẤU TRÚC MẠNG
QUẢN LÝ VIỄN THÔNG


Học viên: NGUYỄN ANH TUẤN

Mã số:
Ngƣời HD khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG















Thái Nguyên, 2011
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC




PGS.TS. Nguyễn Hữu Công
HỌC VIÊN




Nguyễn Anh Tuấn

KHOA SAU ĐẠI HỌC





BGH TRƢỜNG ĐHKTCN






Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn
là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công
trình nào khác. Trừ các phần tham khảo đã đƣợc nêu rõ trong
Luận văn.

Tác giả
Nguyễn Anh Tuấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – PGS.TS. Nguyễn Hữu Công, ngƣời đã
hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hƣớng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình
viết và hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Thạc sỹ Đào Huy Du và các thầy cô trong khoa
Điện tử viễn thông phòng Đào tạo, Khoa Sau đại học - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác
giả rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và
các bạn đồng nghiệp.
Tác giả
Nguyễn Anh Tuấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ
PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
1
2. Ý nghĩa của đề tài
1
3. Đối tƣợng, mục đích, phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu

2
Chƣơng 1:
TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI

3
1.1. Giới thiệu chung
3
1.2. Quá trình truyền dữ liệu trên mạng và vấn đề tắc nghẽn
3
1.2.1. Truyền dữ liệu trên một hệ thống mạng
3
1.2.2. Nghẽn mạng và các nguyên nhân gây nghẽn
7
1.2.3. Cơ chế điều khiển luồng để tránh tắc nghẽn
9
1.3. Sự cần thiết phải quản lý hàng đợi
8
1.3.1. Khái niệm quản lý hàng đợi tích cực AQM
8
1.3.2 Sự cần thiết phải có quản lý hàng đợi tích cực
9
1.4. Tổng kết chƣơng
10
Chƣơng 2:
CÁC PHƢƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI

11
2.1. Giới thiệu
11
2.2. Cơ chế thông báo tắc nghẽn

11
2.2.1 Khái niệm chung
2.2.2. Sự đánh dấu trong IP header
11
12


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

2.2.3. Sự đánh dấu trong TCP header
13
2.2.4 Cơ chế hoạt động
14
2.3. Cơ chế hủy bỏ sớm ngẫu nhiên RED
15
2.3.1. Mô tả khái quát về thuật toán
15
2.3.2. Giải thuật RED và các tham số
17
2.4. Cơ chế huỷ bỏ sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED
19
2.4.1. Khái quát
19
2.4.2. Cơ chế hoạt động
20
2.4.3. Sự ảnh hƣởng của thông số MPD đến sự hoạt động của WRED
21
2.4.4. Cách cấu hình WRED trong các thiết bị của Cisco
23
Chƣơng 3:

GIẢM BẬC MÔ HÌNH THEO PHƢƠNG PHÁP CÂN BĂNG NỘI

25
3.1. Giới thiệu
25
3.2. Phát biểu bài toán giảm bậc mô hình
25
3.3. Phƣơng pháp cân bằng nội của Moore
25
3.3.1. Một số ký hiệu toán học
25
3.2.2. Tổng quan về đƣa tín hiệu vào của lý thuyết thực hiện tối thiểu
26
3.3.2.1 Nhắc lại hình học cơ bản
27
3.3.2.2 Đặc điểm của Xc
28
3.3.2.3 Đặc điểm của Xō
29
3.3.3 Phân tích thành phần chính
29
3.3.3.1 Phụ thuộc tuyến tính và xấp xỉ bình phƣơng nhỏ nhất
31
3.3.3.2 Thành phần chính của các ma trận đáp ứng xung
32
3.3.3.3 Tính toán các thành phần độ lớn và thành phần véc tơ
34
3.3.3.4 Tính chất nhiễu loạn của thành phần độ lớn và thành phần véc tơ
35
3.3.4. Phân tích tính điều khiển đƣợc và tính quan sát đƣợc

36


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

3.3.4.1. Sự liên quan giữa mô hình (F, G, C) và thành phần của eAtB,
T
A
e
CT
37
3.3.4.2. Thành phần chính của eAtB,
T
A
e
CT
39
3.3.4.3. Giá trị tọa độ không đổi – Dạng bậc 2
41
3.3.4.4. Mô hình cân bằng động học nội cân bằng và chuẩn hóa
42
3.3.4.5. Các tính chất của ổn định tiệm cận, mô hình cân bằng nội
44
3.3.4.6. Tiền đề của giảm bậc mô hình
45
3.3.5. Các công cụ giảm bậc mô hình
46
3.3.5.1 Giảm bậc bằng cách khử hệ con
47
3.3.5.2. Tính trội nội

49
3.3.5.3 Tính trội nội và các dạng bậc 2
51
3.4. Phát triển phƣơng pháp cân bằng nội của Moore
53
3.4.1. Giảm mô hình
53
3.4.2. Các hệ liên tục theo thời gian
55
3.4.3. Hệ thống rời rạc theo thời gian
61
3.5. Thuật toán giảm bậc theo cân bằng nội
67
3.6. Một số ví dụ áp dụng giảm bậc mô hình theo cân bằng nội
69
3.7. Kết luận chƣơng
79

CHƢƠNG 4:
ỨNG DỤNG GIẢM BẬC MÔ HÌNH CHO BÀI TOÁN QUẢN LÝ
HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC (AQM) TRONG VIỄN THÔNG


4.1 Mở đầu
80
4.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển
81
4.2.1 Sơ đồ tổng quát
81
4.2.2 Sơ đồ điều khiển

81


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

4.3 Ứng dụng giảm bậc mô hình cho bài toán quản lý hàng đợi tích cực
AQM
83
4.3.1 Bài toán quản lý hàng đợi
83
4.3.2 Giảm bậc đối tƣợng theo phƣơng pháp cân bằng nội
84
4.3.3 Một số kết quả mô phỏng
87
4.4 Kết luận chƣơng
90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
91
TÀI LIỆU THAM KHẢO
92









Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

TT
Bảng số
Nội dung
Trang
1
2.1
Giải thuật WRED
20
2
2.2
Các thông số mặc định của WRED cho các giá trị DSCP
khác nhau.
22
3
3.1
Tham số của các hệ giảm bậc trong mô hình không gian
trạng thái và mô hình hàm truyền của các hệ giảm bậc

71
4
3.2
Tham số của các hệ giảm bậc trong mô hình không gian
trạng thái và mô hình hàm truyền của các hệ giảm bậc
76
5
4.1

Mô hình không gian trạng thái và mô hình hàm truyền của
các hệ giảm bậc

85



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

TT
Hình số
Nội dung
Trang
1
1.1
Kiến trúc mạng đơn giản.
4
2
1.2
Kiến trúc cơ bản của một router
5
3
1.3
Ví dụ về nghẽn mạng
6
4
2.1
ECN Field trong IP header

12
5
2.2
ECN bit trong IP header
13
6
2.3
Cấu trúc TCP Header với 2 cờ CWR và ECE
14
7
2.4
Cấu trúc 2 trƣờng code field và Reserved field của TCP heade
14
8
2.5
Mô hình quản lý hàng đợi dùng thuật toán RED
16
9
2.6
Sơ đồ hoạt động của WRED
20
10
2.7
Cơ chế loại bỏ gói tin của WRED
21
11
2.8
Biểu diễn các trọng số của WRED
22
12

3.1
Các tín hiệu vào ra của hệ thống
27
13
3.2
Sơ đồ không gian trạng thái của hệ thống
28
14
3.3
Hệ thống khi đƣa vào tín hiệu thử x(0) = 0
29
15
3.4
Hệ thống khi đƣa tín hiệu xung đầu vào
32
16
3.5
Phân chia mô hình hệ thống
48
17
3.6
Phân chia mô hình hệ thống thành hệ con trội và hệ con yếu
48
18
3.7
Tổ chức của mô hình hệ thống
49
19
3.8
Sơ đồ mô phỏng hệ gốc và các hệ giảm bậc trong Simulink

72
20
3.9
Đáp ứng bƣớc nhảy hệ gốc và các hệ giảm bậc
73
21
3.10
Đặc tính tần số hệ gốc và hệ giảm bậc
73
22
3.11
Sơ đồ mô phỏng hệ gốc và các hệ giảm bậc trong Simulink
77
23
3.12
Đáp ứng bƣớc nhảy hệ gốc và các hệ giảm bậc
78
24
3.13
Đặc tính tần số hệ gốc và các hệ giảm bậc
78
25
4.1
Biểu diễn nút cổ chai từ A sang B
81


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

28

4.2
Sơ đồ hệ thống điều khiển AQM
82
29
4.3
Đáp ứng h(t) hệ gốc và các hệ giảm bậc
86
30
4.4
Đặc tính biên tần hệ gốc và hệ giảm bậc
87
31
4.5
Gói tín hiệu đầu ra (đỏ) bám tín hiệu yêu cầu (xanh) của hệ
điều khiển gốc
88
32
4.6
Tín hiệu điều khiển mờ (đỏ) và tín hiệu sai số (xanh) của hệ
gốc bậc 3
88
33
4.7
Gói dữ liệu đầu ra tiệm cận vói gói dữ liệu yêu cầu
q
0
=200
89
34
4.8

Tín hiệu điều khiên mờ (đỏ) và tín hiệu sai số (xanh)
89

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Mạng viễn thông đƣợc coi là cơ sở hạ tầng truyền thông của hiện tại và tƣơng
lai, cho phép tích hợp tất cả các dịch vụ lên trên nền một hệ thống phƣơng tiện
truyền thông duy nhất. Một trong các vấn đề đƣợc quan tâm nghiên cứu hiện nay là
việc xây dựng nên phƣơng pháp để giải quyết các bài toán điều khiển lƣu lƣợng
thông minh trên mạng viễn thông hiện tại. Nhằm giải quyết đƣợc vấn đề tránh tắc
nghẽn và tối ƣu hoá thời gian truyền nhận các gói dữ liệu thông qua các router trên
mạng.
Quản lý hàng đợi nút lõi trên mạng lõi là các dòng lƣu lƣợng tổ hợp. Tại nút
lõi, tốc độ dòng lƣu lƣợng tổ hợp đến nó phải đƣợc ƣớc lƣợng để làm cơ sở đƣa ra
các quyết định điều khiển. Trễ truyền làm giảm độ chính xác của việc tính toán ƣớc
lƣợng tốc độ lƣu lƣợng, thậm chí có thể làm cho thuật toán điều khiển trở nên mất
ổn định. Việc ƣớc lƣợng lƣu lƣợng đƣợc thực hiện dựa trên các thông tin giám sát
đƣợc cũng nhƣ các số liệu quá khứ và các kết quả dự báo trƣớc đó. Thuật toán điều
khiển sẽ duy trì giá trị độ dài xếp hàng tại bộ đệm xung quanh giá trị cân bằng
mong muốn.
Việc ứng dụng phƣơng trình trạng thái mô tả các đặc trƣng của phần tử đại
diện trong mạng viễn thông hiện đại dƣới dạng các hệ thống có động học cần đƣợc
quản lý, điều khiển và hệ động học phải đƣa ra tín hiệu điều khiển. Hiển nhiên chất
lƣợng điều khiển, vận hành của các phần tử mạng càng cao khi mô hình toán học có
khả năng mô tả càng chính xác các động học thực tế xảy ra trong hệ thống. Nhƣng

để đáp ứng đòi hỏi đó kết quả của các quá trình mô phỏng là các mô hình toán học
phức tạp có bậc rất cao, gây nhiều phiền phức trong khi nắm bắt về hệ thống cũng
nhƣ khó khăn nhằm thỏa mãn tính hội tụ, nhu cầu theo thời gian thực,
Để điều khiển hệ thống theo thời gian thực thì chúng ta cần phải tìm cách
tăng tốc độ tính toán của hệ điều khiển
Với các lý do trên đề tài đề xuất việc xây dựng cấu trúc TMN nhằm quản lý
các hàng đợi mạng động học xảy ra trên mạng viễn thông. Từ đó tìm giải phảp để
đơn giản hóa cấu trúc TMN cụ thể là sử dụng phương pháp giảm bậc mô hình, đồng
thời nghiên cứu ảnh hƣởng của TMN đối với hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ của
mạng viễn thông.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

2
Mục đích của luận văn là nghiên cứu và ứng dụng phƣơng pháp giảm bậc
mô hình đối với bài toán quản lý lƣu lƣợng mạng để xây dựng cấu trúc mạng TMN
theo góc độ lý thuyết hệ thống. Đồng thời từ cấu trúc TMN xây dựng đánh giá hiệu
năng và chất lƣợng dịch vụ của mạng viễn thông.
3. Nội dung nghiên cứu
- Đánh giá tổng quát về các phƣơng pháp giảm bậc mô hình.
- Nghiên cứu giảm bậc mô hình theo phƣơng pháp cân bằng nội.
- Bài toán quản lý hàng đơi AQM trong TMN
- Áp dụng phƣơng pháp giảm bậc mô hình theo phƣơng pháp cân bằng nội
vào bài toán quản lý hàng đợi tại các nút mạng trong TMN
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a. Ý nghĩa khoa học:
- Giảm bậc mô hình áp dụng theo phƣơng pháp cân bằng nội sẽ giúp giảm độ
phức tạp của thuật toán điều khiển, giảm thông tin thừa, tăng tốc độ xử lý.

- Xây dựng đƣợc bài toán quản lý ứng dụng giảm bậc mô hình để đánh giá
các tác động trong mạng viễn thông.
b. Ý nghĩa thực tiễn:
Áp dụng bài toán này để xây dựng cấu trúc mạng TMN cho các mạng viễn
thông cụ thể.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

3
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI

1.1 Giới thiệu chung
Ngày nay, với sự bùng nổ và phát triển nhanh chóng của mạng Internet nhƣ
hiện nay, hàng triệu chiếc máy tính trên thế giới đã có thể kết nối với nhau để chia sẻ
tài nguyên lẫn nhau. Ở một mức độ khác, Internet bao gồm nhiều máy tính chuyên
dụng đƣợc gọi là các router đƣợc sử dụng làm cầu nối trung gian chuyển tải dữ liệu
giữa các hệ thống với nhau. Và
những router này đƣợc kết nối với nhau bởi các
mối liên kết truyền thông. Trong một
mạng máy tính lớn nhƣ vậy, nhiều hệ thống
có thể đang sử dụng mạng cùng một lúc. Và hiện tƣợng quá tải hay tắc nghẽn mạng
xuất hiện khi những hệ thống này đồng thời truyền dữ liệu nhiều hơn mức mà các
chƣơng chình chuyển vận có thể thực hiện đƣợc. Để giải quyết vấn đề này, ngƣời ta
phải sử dụng những giải thuật phát hiện và điều khiển sự tắc
nghẽn trong mạng.
Việc sử dụng các cơ chế điều khiển tắc nghẽn sẽ giúp các hệ thống
cùng chia sẻ cơ
sở hạ tầng mạng tốt hơn.

1.2 Quá trình truyền dữ liệu trên mạng và vấn đề tắc nghẽn
1.2.1 Truyền dữ liệu trên một hệ thống mạng
Nhƣ đã nói ở phần mở đầu, các máy tính nối mạng với nhau để nhằm liên
kết, chia sẻ dữ liệu với nhau. Khi một hệ thống nào đó muốn gửi dữ liệu đến một hệ
thống khác, nó sẽ chia các khối dữ liệu đó thành từng mảnh dữ liệu nhỏ gọi là gói
tin(packet). Hệ thống gửi đi này đồng thời đóng gói những thông tin điều khiển việc
chuyển vận gói tin đó vào một đầu mục của gói (packet header) và đặt nó ở đầu của
mỗi gói. Trong một mạng IP, mỗi một packet header chứa địa chỉ nguồn để định rõ
địa chỉ nơi gửi gói đó. Packet header cũng chứa địa chỉ IP đích ( destination IP
address) nơi mà gói tin phải chuyển đến. Địa chỉ đích này sẽ dùng để các bộ định
tuyến xác định địa chỉ đích của gói tin đó và thực hiện công việc chuyển nó đến
đúng địa chỉ đó.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

4
Trong nhiều trƣờng hợp, không phải lúc nào thiết bị phát và thiết bị thu cũng
đƣợc nối trực tiếp với nhau mà chúng phải thông qua các bộ định tuyến trung gian
nhƣ ví dụ trong Hình 1.1. Trong những trƣờng hợp này, thiết bị gửi sẽ gửi gói tin đó
cho bộ định tuyến mà nó đƣợc nối trực tiếp tới. Khi đó, bộ định tuyến này sẽ sử dụng
địa chỉ đích (địa chỉ nơi nhận) của gói nhƣ một chìa khóa để tìm kiếm dữ liệu thông
tin lộ trình của nó cho một quyết định chuyển tiếp nó đi. Nếu bộ định tuyến này và
thiết bị thu đƣợc kết nối trực tiếp với nhau thì nó sẽ chuyển gói tin đến thẳng thiết bị
thu. Nếu không phải đƣợc nối trực tiếp, bộ định tuyến này sẽ chuyển gói tin đến một
bộ định tuyến khác mà nó biết đƣợc qua quá trình phân tích thông tin lộ trình ở trên.
Quá trình nhƣ vậy đƣợc lặp lại cho đến khi gói tin đƣợc chuyển đến một bộ định
tuyến đƣợc kết nối trực tiếp với thiết bị thu và đƣợc chuyển đến đích đến cuối cùng.

Hình 1.1: Kiến trúc mạng đơn giản.

Các phƣơng thức quản lý hàng đợi tích cực.
Trong một hệ thống mạng, một bộ định tuyến (router) thƣờng có nhiều giao
diện mạng gắn với những mối liên kết khác nhau nhƣ trong Hình 1.2 . Những liên
kết này dùng để kết nối với các bộ định tuyến khác hay kết nối với các mạng con
(subnetwork ). Một mạng con thông thƣờng bao gồm một hay nhiều những hệ thống
kết thúc ( end system ). Khi một gói tin đƣợc chuyển tới router, nó sẽ sử dụng địa chỉ
nơi nhận và dữ liệu thông tin lộ trình của gói tin để xác định liên kết đầu ra cho gói
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

5
tin đó. Khi có nhiều gói tin từ nhiều nguồn khác nhau cùng đến router với một lộ
trình đầu ra giống nhau thì chỉ có duy nhất một gói tin đƣợc đáp ứng còn các gói tin
còn lại bị đẩy vào một hàng đợi tại mối liên kết đầu ra mà chúng yêu cầu. Khi nhịp
độ đến router của các gói tin nhƣ vậy tăng lên, chúng sẽ tiếp tục đƣợc đƣa vào hàng
đợi đó.
Thông thƣờng, hàng đợi này sẽ đƣợc duy trì với cơ chế FIFO ( first in first
out) . Với cơ chế này thì những gói tin đến sau sẽ đƣợc xếp vào cuối hàng đợi. Nếu
mức độ chuyển các gói tin đi của router lớn hơn mức độ các gói tin khác đến router
thì sau một khoảng thời gian nào đó hàng đợi sẽ trở lên rỗng. Còn ngƣợc lại, nếu
mức độ chuyển các gói tin đi nhỏ hơn mức độ các gói tin khác đến router thì sau
một khoảng thời gian hàng đợi sẽ đầy. Khi đó, router sẽ phải loại bỏ các gói tin theo
một cơ chế nào đó, nếu không hiện tƣợng tắc nghẽn sẽ xảy ra. [1]

Hình 1.2: Kiến trúc cơ bản của một router
1.2.2 Nghẽn mạng và các nguyên nhân gây nghẽn
Khi có quá nhiều gói tin trong mạng ( hay một phần của mạng ) làm cho hiệu
năng của mạng giảm đi vì các nút mạng không còn đủ khả năng lƣu trữ, xử lý,
truyền đi, chúng bắt đầu bị mất các gói tin dẫn đến sự tắc nghẽn trong mạng.

Để tránh sự tắc nghẽn, trong các mạng sử dụng giao thức TCP cho phép
giảm lƣu lƣợng truyền khi xảy ra tắc nghẽn bằng cách sử dụng kỹ thuật khởi động
chậm (slow-start) và giảm cửa sổ tắc nghẽn theo cấp số nhân. Các bộ định tuyến
theo dõi độ dài hàng đợi và sử dụng các tín hiệu điều khiển để thông báo với các
máy tính rằng đã xảy ra tắc nghẽn. TCP duy trì một cửa sổ gọi là cửa sổ tắc nghẽn
dùng để giới hạn lƣợng dữ liệu ở mức ít hơn kích thƣớc vùng đệm của nơi nhận khi
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

6
xảy ra sự tắc nghẽn. Kích thƣớc cửa sổ đƣợc tính nhƣ sau:
Kích thƣớc đƣợc phép=min(Kích thƣớc gói tin,kích thƣớc cửa sổ tắc nghẽn)
Khi bị mất một gói tin, giảm kích thƣớc cửa sổ tắc nghẽn đi một nửa (cho tới
khi chỉ còn kích thƣớc của một gói tin). Với những gói tin vẫn còn nằm trong cửa sổ
đƣợc phép, nhƣợng bộ bằng cách gia tăng bộ đếm thời gian truyền lại theo hàm mũ.
Quá trình khởi động chậm làm giảm luồng gói tin truyền qua các nút mạng nhƣng
đồng thời giải phóng đƣợc các gói tin còn tồn ở hàng đợi. [2]

Hình 1.3: Ví dụ về nghẽn mạng
1.2.3 Cơ chế điều khiển luồng để tránh tắc nghẽn
Nhƣ đã nói sơ lƣợc ở trên, điều khiển luồng là quá trình điều khiển gói báo
nhận hoặc điều chỉnh kích thƣớc cửa sổ trƣợt. Việc sử dụng cửa sổ trƣợt có kích
thƣớc thay đổi là hỗ trợ việc điều khiển tốc độ truyền dữ liệu cũng nhƣ là việc truyền
đáng tin cậy. Để tránh việc nhận nhiều gói tin hơn khả năng lƣu trữ, nơi nhận sẽ gửi
đi thông báo cửa sổ nhỏ hơn và ngƣợc lại. Trƣờng hợp xấu nhất, nơi nhận sẽ gửi
thông báo cửa sổ có kích thƣớc là zero để ngƣng tất cả việc truyền dữ liệu. Nhƣng
việc nhiều lần ngƣng truyền với những đợt ngắn do tràn hàng đợi tạm thời là không
cần thiết, điều này làm tăng sự dao động thông lƣợng. Vì vậy, cần có cơ chế điều
khiển hợp lý giữa luồng gói tin đến và cơ chế xử lý tại nút nhận thích hợp.

Thông thƣờng, các điểm đầu cuối thƣờng không nhận biết sự tắc nghẽn và tại
sao chúng xảy ra. Bởi vì tắc nghẽn là do sự trì hoãn gia tăng, nên hầu hết các phần
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

7
mềm giao thức sử dụng bộ đếm thời gian và truyền lại. Vấn đề này gọi là sự sụp đổ
do nghẽn mạch. Giải quyết toàn diện vấn đề này rất phức tạp, liên quan đến nhiều
tầng giao thức khác nhau và nhiều dịch vụ khác nhau. Thông thƣờng, việc điều khiển
sự tắc nghẽn đƣợc thực hiện qua 3 bƣớc sau:
Bƣớc 1: Làm chủ hệ thống để phát hiện khi nào xảy ra và xảy ra ở đâu. Khi
xác định đƣợc tắc nghẽn ở đâu, lúc đó bƣớc thứ 2 sẽ đƣợc thực hiện.
Bƣớc 2: Chuyển thông tin đến những nút mạng ( router) khác mà ở đó có thể
tiến hành giải quyết đƣợc công việc đồng thời thông báo tắc nghẽn ( ECN : Explicit
Congestion Notification ) cho các router khác. Tất nhiên, các gói tin phụ sẽ làm tăng
tải vào thời điểm nhiều tải không cần thiết.
Một phƣơng pháp khác là máy chủ hay router gửi các gói tin thăm dò để biết
rõ ràng về sự tắc nghẽn. Thông tin có thể đƣợc sử dụng chỉ lƣu thông quanh khu vực
có sự cố.
Bƣớc 3: Khi nhận đƣợc thông tin về sự tắc nghẽn, máy chủ có những hành
động thích hợp để giảm sự tắc nghẽn nhƣ: Sắp xếp lại tuyến đƣờng truyền tin, hạn
chế không cho truyền gói tin vào những đƣờng xảy ra tắc nghẽn, … Các phƣơng
pháp có thể hoạt động ở trạm nguồn hoặc ở trạm đích.
Hoạt động ở trạm nguồn: Bao gồm gói tin đƣợc gửi đi, trở lại từ điểm tắc
nghẽn báo cho nguồn hoặc nguồn suy đoán về sự tồn tại của tắc nghẽn bằng việc
quan sát thời gian cần thiết cho sự báo nhận đi trở lại.
Hoạt động ở trạm đích: Sự hiện diện của tắc nghẽn có nghĩa là tải( tạm thời)
lớn hơn lƣợng tin ( một phần hệ thống ) có thể quản lý. Hai giải pháp có thể thực
hiện để giải quyết là tăng tài nguyên ( lƣợng thông tin có thể lƣu trữ) hoặc giảm tải.

Tuy nhiên, đôi khi không thể tăng khả năng tài nguyên lên đƣợc hoặc nếu
tăng thì chỉ tăng đến một giới hạn nhất định. Cách duy nhất để tác động sự tắc nghẽn
là giảm tải. Để giảm tải có thể phủ nhận dịch vụ với nơi sử dụng, giảm bớt dịch vụ
từ các trạm gửi đến hoặc cải tiến giao thức điều khiển phù hợp, cải tiến cơ chế xử lý
gói tin tại hàng đợi của các nút mạng trung tâm theo một trật tự ƣu tiên phù hợp.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

8
1.3 Sự cần thiết phải quản lý hàng đợi
1.3.1 Khái niệm quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Managament)
Quản lý hàng đợi tích cực ( AQM ) là một cơ chế phát hiện sự tắc nghẽn
trong hệ thống mạng. Những giải thuật quản lý hàng đợi tích cực chạy bên trong
những bộ định tuyến và phát hiện sự tắc nghẽn phôi thai điển hình bằng cách theo
dõi chiều dài hàng đợi tức thời hay chiều dài hàng đợi trung bình. Khi kích thƣớc
hàng đợi trung bình vƣợt quá một ngƣỡng nhất định nhƣng vẫn còn ít hơn khả năng
xử lý của hàng đợi, những giải thuật quản lý hàng đợi tích cực xem xét sự tắc nghẽn
trên mối liên kết và thông báo trở lại cho những hệ thống bằng cách thả một số gói
tin chuyển đến bộ định tuyến. Các giải thuật AQM có thể cũng đặt một bit vào
header của một gói tin nào đó rồi chuyển nó về phía thiết bị nhận của gói đó sau khi
sự tắc nghẽn đƣợc phát hiện. Khi thiết bị thu nhận đƣợc gói tin đã đƣợc đánh dấu
này, nó sẽ gửi trở lại bên phát gói tin đó một bit khác trong phiên làm việc giữa nó
và bên phát. Khi bên phát nhận đƣợc tín hiệu này, nó sẽ giảm bớt tín hiệu truyền dữ
liệu . Quá trình đặt một bit đặc biệt trong header của gói tin bởi những giải thuật
AQM và việc chuyển gói tin đã đƣợc đánh dấu đó đến bên nhận gọi là sự đánh dấu
(mark) . Gói tin chứa bit đặc biệt trong quá trình trên gọi là gói tin đƣợc đánh dấu.
Những hệ thống trải qua việc bị đánh dấu hoặc bị mất mát gói tin sẽ giảm nhịp độ
truyền dữ liệu để giải toả sự tắc nghẽn và ngăn việc tràn hàng đợi.
Mục tiêu quan trọng nhất của các giải thuật AQM là ngăn ngừa sự tắc nghẽn

trƣớc khi nó thực sự xuất hiện. Nhƣ vậy, việc sử dụng hiệu quả các giải thuật quản lý
hàng đợi sẽ đem lại những hiệu quả đó là: giảm bớt sự mất mát các gói tin, đạt đƣợc
một lƣu lƣợng truyền dữ liệu cao và một độ trễ hàng đợi thấp. Điều này thật sự là
một cải thiện rất tốt cho những ứng dụng tƣơng tác nhƣ duyệt Web hay các cuộc hội
thoại trực tiếp.
Một mục tiêu quan trọng khác của quản lý hàng đợi tích cực là quản lý tắc
nghẽn với yêu cầu ngăn ngừa sự đồng bộ hoá toàn cục ( global synchronization )
bằng sự ngẫu nhiên trong quyết định đánh dấu hay loại bỏ gói tin. Khi một sự tắc
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

9
nghẽn đƣợc nghi ngờ trên một mối liên kết nào đó, đa số những giải thuật quản lý
hàng đợi không đánh dấu hay loại bỏ gói tin một cách một cách tất định mà là ngẫu
nhiên. Xác suất đánh dấu hay loại bỏ của một gói tin đƣợc chuyển đến thông thƣờng
phụ thuộc vào độ ƣớc tính của sự tắc nghẽn trên mối liên kết. [1]
1.3.2 Sự cần thiết phải có quản lý hàng đợi tích cực
Kỹ thuật truyền thống để quản lý chiều dài hàng đợi là thiết lập một giá trị
chiều dài cực đại cho mỗi hàng đợi, những gói tin( packet ) đƣợc chấp nhận đƣa vào
hàng đợi cho đến khi hàng đợi đạt giá trị max, sau đó sẽ loại bỏ những gói tin đƣợc
chuyển đến tiếp theo cho đến khi hàng đợi đƣợc giảm bớt bởi các gói đã đƣợc truyền
đi. Kỹ thuật này đƣợc gọi là “Drop Tail” ( Khi hàng đợi full nó sẽ loại bỏ những gói
tin ở cuối hàng đợi).
Phƣơng pháp này có 2 hạn chế:
+ lock out ( khoá): Trong một số trƣờng hợp, gói tin cuối cho phép một kết
nối đơn hoặc vài luồng dữ liệu độc quyền xếp hàng ngăn ngừa các kết lối khác trong
cùng hàng đợi. Hiện tƣợng “lock out” là kết quả của sự đồng bộ hoá hay các hiệu
ứng thời gian khác.
+ full queue (hàng đợi đầy ): Kỹ thuật Drop Tail cho phép duy trì hàng đợi ở

nguyên trạng thái trong suốt thời gian dài cho đến khi có các tín hiệu tắc nghẽn ( các
tín hiệu tắc nghẽn này đƣợc truyền qua các gói tin bị loại bỏ khi hàng đợi đầy).
Điều này rất quan trọng trong việc giảm bớt kích thƣớc hàng đợi dừng và đây
là điều quan trọng nhất trong mục đích quản lý hàng đợi.
Giả thiết đơn giản đó là có một sự cân bằng đơn giản giữa độ trễ ( delay ) và
lƣu lƣợng. Nếu hàng đợi đầy hoặc gần đầy, dẫn đế burst làm cho nhiều gói tin đƣợc
loại bỏ. Điều này có thể dẫn đến một sự đồng bộ hóa ở phạm vi lớn các gói tin đến
sau, làm cho lƣu lƣợng toàn bộ quá trình giảm.
Full Queue gây lên trạng thái không ổn định trong hàng đợi. Một cơ chế quản
lý hàng đợi tích cực có thể đem lại những ƣu điểm sau:
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

10
Giảm bớt những gói tin đƣợc loại bỏ trong router. Packet burst là một khía
cạnh không thể tránh đƣợc của mạng gói (packet network). Nếu tất cả không gian
hàng đợi trong router đã ở trạng thái chuyển vận ổn định, hay nếu không gian bộ
đệm không đủ, router sẽ không có khả năng tạo ra buffer burst. Bằng việc giữ cho
kích thƣớc hàng đợi trung bình nhỏ, quản lý hàng đợi tích cực sẽ cung cấp khả năng
lớn hơn để giảm bớt các gói bị loại bỏ trong quá trình chuyển vận. Hơn nữa, nếu nhƣ
không có quản lý hàng đợi tích cực thì sẽ có nhiều gói tin bị loại bỏ khi hàng đợi bị
tràn đầy. Đây là một hạn chế cho hàng đợi bởi các lý do:
- Với một hàng đợi dùng chung , một sự đồng bộ hoá các gói tin bị loại bỏ
dẫn đến hiệu quả thấp hơn trong việc sử dụng mối liên kết trung bình và làm giảm
lƣu lƣợng mạng.
- Làm cho quá trình phục hồi của hệ thống khó khăn hơn.
- Đó là một sự tiêu phí giải thông một cách không cần thiết.
Giảm độ trễ dịch vụ: Bằng việc giữ cho kích thƣớc hàng đợi trung bình nhỏ,
quản lý hàng đợi sẽ giảm bớt độ trễ giữa các luồng dữ liệu.

Tránh hiện tƣợng Knock-out: Quản lý hàng đợi tích cực sẽ gần nhƣ luôn luôn
đảm bảo một bộ đệm sẵn cho các gói tin đƣợc chuyển tới hàng đợi. Hàng đợi tích
cực sẽ có thể ngăn ngừa một sự thiên lệch trong router chống lại việc giải thông thấp
nhƣng lại có nhiều luồng bursty cao. [3] [4]
1.4 Tổng kết chƣơng
Chƣơng này khái quát về vấn đề truyền thông tin trên mạng, hiện tƣợng nghẽn
mạng và các nguyên nhân nghẽn mạng trong mạng viễn thông, giới thệu cơ chế điều
khiển luồng để tránh tắc nghẽn trong mạng viễn thông.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

11
CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI

2.1 Giới thiệu
Một số lƣợng lớn các giải thuật quản lý hàng đợi tích cực ( AQM ) đã đƣợc
ngƣời ta nghiên cứu và đề xƣớng trong nhiều năm gần đây. Ở phần này, chúng ta sẽ
đi nghiên cứu, tìm hiểu một số thuật toán quản lý hàng đợi tích cực nhƣ:
 ECN (Explicit Congestion Notification) : Cơ chế thông báo tắc nghẽn .
 RED ( Random Early Detection): Cơ chế huỷ bỏ sớm ngẫu nhiên.
 WRED (Weighted Random Early Discarding ) : Cơ chế hủy bỏ sớm
ngẫu nhiên có trọng số.
 ARED ( Adaptive - RED ).
 DRED ( Dynamic - RED ) .
 SRED ( Stabilized - RED).
2.2 Cơ chế thông báo tắc nghẽn
2.2.1 Khái niệm chung
Cơ chế thông báo tắc nghẽn rõ ràng ECN (Explicit Congestion Notification )
là một phƣơng pháp điều khiển tắc nghẽn, ứng dụng vào điều khiển các luồng

chuyển vận đƣợc sử dụng trong hệ thống sử dụng giao thức TCP/IP.
Phƣơng pháp ECN đƣợc đề xƣớng vào năm 1999 từ ý tƣởng sẽ phát hiện
sớm những tắc nghẽn của hệ thống và gửi những tín hiệu thông báo đến hệ thống
trƣớc khi hàng đợi bị tràn. Phƣơng pháp này là một sự tiếp cận khác từ phƣơng pháp
RED và WRED ( ta sẽ đề cập cụ thể hơn về 2 phƣơng pháp này ở phần sau của bài
viết). [3] [5].
Trong những hệ thống mạng TCP/IP hiện nay, những gói bị loại bỏ đƣợc
xem là dấu hiệu thông báo sự tắc nghẽn. Phần lớn những bộ định tuyến trong mạng
TCP/IP không có sự chuẩn bị cho việc phát hiện sự tắc nghẽn phôi thai. Vì thế, khi
hàng đợi tràn, những gói tin sẽ bị thả. Khi các nguồn TCP phát hiện ra việc các gói
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

12
tin bị thả, nó sẽ phát hiện ra sự tắc nghẽn hiện thời trong mạng.
Vì thế, ngƣời ta đề ra giải pháp để phát triển việc phát hiện sự tắc nghẽn phôi
thai của hệ thống bằng cách tính toán kích thƣớc hàng đợi trung bình và đặt một bit
ECN trong packet header khi kích thƣớc hàng đợi trung bình vƣợt quá một ngƣỡng
nào đó với ý tƣởng sẽ phát hiện và thông báo sự tắc nghẽn mà không cần phải dựa
vào những gói tin bị loại bỏ. Đây chính là sự khác biệt cơ bản giữa cơ chế ECN và
cơ chế RED. Ở cơ chế RED, khi xảy ra tắc nghẽn, các gói tin đƣợc loại bỏ một cách
ngẫu nhiên. Còn ở cơ chế ECN, những trƣờng đã đƣợc đánh dấu sẽ đƣợc đi qua để
thông báo sự tắc nghẽn đến hệ thống. Điểm giống nhau giữa hai cơ chế này là đều
cùng sử dụng chung một giải thuật lựa chọn gói tin dự báo sự tắc nghẽn. [6]
2.2.2 Sự đánh dấu trong IP header
TCP sử dụng một trƣờng ECN ở IP header với hai bit để đánh dấu 4 mã ECN
từ “00” đến “11”. Mã “11” đƣợc hiểu nhƣ một mã Congestion Experienced ( CE )
dùng để chỉ ra sự tắc nghẽn đến các điểm nút kết thúc. Mã “10” và “01” tƣơng ứng
biểu diễn các mã ECT(0) và ECT(1) đƣợc sử dụng để biểu thị đó là ECN-Capable.

Hai mã này dùng để các bộ định tuyến nhận biết đƣợc và không xóa bỏ mã CE trong
quá trình chuyển đi của nó và đồng thời để các thiết bị nhận đƣợc mã CE báo cáo lại
bên phát một cách chính xác việc đã nhận đƣợc các mã CE này. Mã “00” để xác
định gói dữ liệu đó hiện giống nhƣ các gói không sử dụng ECN khác ( Mặc định
trong tất cả các gói IP khác là “00” ). [1] [3] [7]

Hình 2.1: ECN Field trong IP header
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

13

Hình 2.2: ECN bit trong IP header

2.2.3 Sự đánh dấu trong TCP header
TCP header cũng phải chứa đựng những thông tin cho quá trình ECN. Trong
TCP header ngƣời ta đƣa ra hai cờ: CWR ( Congestion Window Reduced ) và ECE
( ECN-Echo ).
+ Cờ ECE dùng để xem xét các khả năng ECN giữa nguồn phát và nguồn thu
TCP.
+ Cờ CWR đƣợc dùng để gửi thông báo từ phía nguồn phát đến nguồn thu
rằng cửa sổ tắc nghẽn đã đƣợc giảm bớt. Qua thông báo này, nguồn nhận sẽ có thể
xác định thời điểm ngừng đặt cờ ECN-Echo. [1] [3] [7].
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

14

Hình 2.3: Cấu trúc TCP Header với 2 cờ CWR và ECE.
2.2.4 Cơ chế hoạt động

Code Field
6 bit

URG
1bit
ACK
1bit
PSH
1bit
RST
1bit
SYN
1bit
FIN
1bit
Reserved Field
6 bit

Reserved
1bit
Reserved
1bit
Reserved
1bit
Reserved
1bit
CWR

1bit
ECN Echo
1bit
Hình 2.4 : Cấu trúc 2 trƣờng code field và Reserved field của TCP header
ECN sử dụng hai cờ ECT và CE ở trong IP header để báo hiệu giữa các
endpoint ( điểm cuối ) với những bộ định tuyến trong một kết nối. Hai cờ CWR và
ECN-Echo trong TCP header để giao tiếp giữa 2 TCP-endpoint.
Hoạt động giữa bên thu và bên phát TCP diễn ra theo một chuỗi các sự kiện.: