Báo cáo môn cơ sở truyền số liệu Tìm hiểu về nguyên lý công bằng cực đại cực tiểu (maxmin fairness)

Mục lục
ụ

c đ

ích
Trong

môn

Cơ

sở

mạng

t
hông

tin,

chúng ta

đã

làm

quen

vớ
i

phương

pháp đánh

giá
hoạ
t

động

của

mộ
t

hệ

thống

t
hông

tin

bằng

phương

pháp

phân

tí
ch toán

học,

đặc

biệ
t
là

các

mô

hình

liên

quan

đến

hệ

thống

hàng

đợ
i

đơn,

mạng hàng

đợi,cơ

sở

cho

các

cơ
chế

đ
i
ều

khiển

luồng

và

định

tuyến

trong

mạng. Trong

phần

bài

t
ập

l
ớn này,

chúng ta
sẽ

được

làm

quen

vớ
i

mộ
t

phương

pháp

khác

để

đánh

giá

hiệu

năng,

đó

là

phương
pháp

mô

phỏng.

Bà
i

t
ập

l
ớn

này

có

mộ
t

số

mục

đích

sau:
- Kiểm

nghiệm

các

kế

t

quả

phân

tích,

đánh

giá

hệ

thống

khi

dùng

phương

pháp
phân

tích

toán

học

và

phương

pháp

mô

phỏng
-
Làm

quen

vớ
i

công

cụ

mô

phỏng

NS-2

–

công

cụ

mô

phỏng

mạng

t
hông
dụng nhất hiện nay

-
Làm

quen

vớ
i

hệ

đ
i
ều

hành

Linux

và

l
ập

t
rình

trong

mô
i

trường

GNU.

- Phát

triển

kỹ

năng

làm

việc

theo

nhóm.
-
Phát

triển

kỹ

năng

làm

việc

độc

l
ập.
Yêu cầu của BTL:
BTL của nhóm yêu cầu tính tốc độ các luồng dữ liệu gửi qua mạng để các luồng chia
sẽ băng thông kênh truyền dựa theo nguyên lý công bằng cực đại cực tiểu (max-min
fairness) và dựng kịch bản mô phỏng bằng công cụ NS2.
Các thành viên trong nhóm và nhiệm vụ của từng thành viên
1. Hoàng Văn Pháp
Tìm hiểu nguyên lý công bằng cực đại cực tiểu Max-min fairness và tính toán các
tham số
λ

S1
, λ
S2
, λ
S3

dựa theo nguyên lý trên .
2. Nguyễn Hoàng Ân
Tìm hiểu công cụ mô phỏng NS-2 và dựng kịch bản mô phỏng

3.
Nguyễn Đình Quý
Vẽ đồ thị băng thông và vẽ đồ thị tốc độ mất gói.
Thực hiện bài tập lớn:
I.Tìm hiểu về nguyên lý công bằng cực đại cực tiểu (max-min fairness)
Trong trao đổi thông tin, khi phía phát truyền dữ liệu đến phía thu thì dữ liệu đầu tiên
được lưu trong bộ đêm phía thu. Dữ liệu trong bộ đệm này sau khi được xử lý và chuyển
lên các lớp phía trên thì sẽ được xóa đi, để dành bộ đệm cho các dữ liệu kế tiếp.
Trên thực tế trao đổi thông tin trong mạng, có thể xảy ra tình trạng phía phát truyền
dữ liệu với tốc độ cao hơn khả năng xử lý của phía thu, dẫn đến bộ đệm của phía thu sẽ
đầy dần và bị tràn. Trong trường hợp này, phía thu không thể nhận thêm các gói dữ liệu
từ phía phát dẫn đến việc phía phát phải thực hiện truyền lại dữ liệu, gây lãng phí băng
thông trên đường truyền.
Nhằm giảm thiểu việc phải truyền lại thông tin và mất gói do tràn hàng đợi, cần có
cơ chế thực hiện kiểm soát và điều khiển lưu lượng thông tin đi đến một thiết bị/mạng.
Chức năng này được thực hiện bởi kỹ thuật điều khiển luồng và kiểm soát tắc nghẽn.
Một trong những vấn đề khó khăn nhất của thực hiện điều khiển luồng và kiểm soát
tắc nghẽn là đảm báo tính công bằng cho các kết nối hoặc người dùng khi xảy ra tắc
nghẽn. Khái niệm tính công bằng thể hiện ở chỗ các kết nối, người dùng được sử dụng tài
nguyên mạng với cơ hội như nhau

Việc sử dụng tài nguyên mạng hiệu quả nhất có thể trong khi vẫn có thể đảm bảo
được tính công bằng cho các kết nối được thực hiện bởi cơ chế điều khiển luồng cực đại
– cực tiểu (max–min flow control). Cơ chế này được xây dựng trên mô hình công bằng
cực đại – cực tiểu (max-min fairness).
Nguyên tắc hoạt động cơ bản của cơ chế điều khiển luồng cực đại – cực tiểu như sau:
Nguyên tắc :
Sau khi người dùng với yêu cầu ít nhất về tài nguyên đó được đáp ứng công bằng,
các tài nguyên còn lại được tiếp tục phân chia (một cách công bằng) cho những người
dùng còn lại. Trong nhóm người dùng này, tài nguyên lại được phân chia sao cho người
dùng có yêu cầu ít nhất được đáp ứng, và quá trình cứ tiếp tục đến hết. Nói một cách
khác, việc cấp phát tài nguyên mạng cho một người dùng i không được làm ảnh hưởng
đến tài nguyên đó cấp các ngườii dùng khác với yêu cầu ít hơn i.
Thuật toán:
1.Khởi tạo tất cả các kết nối với tốc độ = 0
Tăng tốc độ của tất cả các kết nối với một lượng nhỏ bằng nhau
δ
, lặp lại quá trình này
cho đến khi tồn tại các liên kết có tổng băng thông đạt đến giá trị băng thông cực đại (F
a

= C
a
). Lúc này:
Tất cả các kết nối chia sẻ liên kết này đều sử dụng băng thông bằng nhau
Liên kết này là điểm tắc nghẽn đối với tất cả các kết nối sử dụng liên kết này
Ngừng việc tăng băng thông cho các kết nối này vỡ các kết nối này đạt đến trạng thái cân
bằng cực đại – cực tiểu
2.Lặp lại quá trình tăng tốc độ cho các kết nối khác chưa đạt đến điểm tắc nghẽn cho đến
khi lại tìm thấy các điểm tắc nghẽn ứng với các kết nối khác (lặp lại bước này)
3.Thuật toán kết thúc khi tất cả các kết nối đều đó tìm được điểm tắc nghẽn

:= số lượng đường với
k
a
n
k
p P∈
( ) 1
p
a
δ
=
1
: ( ) /
min
k
k k k
a a a
a A
r C F n
−
∈
= −
%
Nếu P
k
là tập hợp rỗng thì dừng lại, nếu không thì quay lại bước 1.
II. Thực hiện:
1. Yêu cầu:
1
1

( )
( )
k k k
p
k
p
k k
p
r r p P
r
r p P
−
−

+ ∈

=

∉


%
: ( ).
k k
a p p
a A
F a r
δ
∈
=

∑
{ }
k+1
A : | 0
k
a a
a C F= − >
{ }
1 k+1
: | ( ) 0, or all a A
k
p
P p a f
δ
+
= = ∉
: 1k k= +
Băng thông đối đa tổng cộng mà các luồng được chiếm trên một kênh truyền vật lý là
bằng 95% dung lượng kênh truyền => C1sd=95%*1.5 Mb/s=1.425 Mb/s
C2sd=95%*1 Mb/s=0.95 Mb/s
C3sd=95%*0.6 Mb/s=0.57 Mb/s
C4sd=95%*0.5 Mb/s=0.475 Mb/s
Các đường liên kết: (1,2); (2,3); (3,4); (4,5)
Các kết nối (S1,D1); (S2,D2); (S3,D3)
-P
k
là tập hợp các kết nối không đi qua liên kết bão hòa nào, tính tại lúc bắt đầu của bước
k
-n
k

a
là số lượng kết nối trong P
k
sử dụng liên kết a
Liên kết (1,2) n
k
a
=1
Liên kết (2,3) n
k
a
=2
Liên kết (3,4) n
k
a
=2
Liên kết (4,5) n
k
a
=1
- là phần băng thông tăng lên cho mỗi kết nối trong P
k
tại bước thứ k
Bước 1: k = 1, F
0
1
= F
0
2
= F

0
3
= F
0
4
= 0, r
0
p
= 0, P
1
=[(S1,D1),(S2,D2),(S3,D3)] và A
1
= A
=min((1.425-0)/1, (0.95-0)/2 , (0.57-0)/2 , (0.475-0)/1)= 0.285 Mb/s
sMbr /285.0
1
1
=
sMbr /285.0
1
2
=
sMbr /285.0
1
3
=
Bước 2: k=2,
=0.285 Mb/s
=0.285+0.285=0.57 Mb/s
k

r
%
k
r
%
1
1
F
1
2
F
=0.285+0.285=0.57 Mb/s
=0.285 Mb/s
=[(S2,D2)]
Liên kết (3,4) đã bão hòa do vậy các đặt giá trị
λ
S1
=0.285 Mb/s
λ
S3
=0.285 Mb/s
Để kết nối (2,3) bão hòa
λ
S2
= 0.95-0.285=0.665 Mb/s
Khi đó F
1
= 0.665Mb/s < C1sd => phù hợp.
F
4

= 0.285Mb/s < C2sd => phù hợp.
Như vậy ta đã tính được các tham số λ
S1
, λ
S2
, λ
S3
theo nguyên lý max-min fairness
2. Mô phỏng
Tạo đối tượng mô phỏng:
set ns [new Simulator]
Tạo namfile lưu dữ liệu hệ thống khi mô phỏng
set nf [open out.nam w]
$ns namtrace-all $nf
Tạo tracefile lưu dữ liệu để vẽ đồ thị băng thông
set f0 [open S1_D1_Band.tr w]
set f1 [open S2_D2_Band.tr w]
set f2 [open S3_D3_Band.tr w]
và đồ thị tốc độ mất gói
set l0 [open S1_D1_Lost.tr w]
set l1 [open S2_D2_Lost.tr w]
set l2 [open S3_D3_Lost.tr w]
Tạo đích, nguồn, nút:
#Creat sources
set s1 [$ns node]
1
3
F
1
4

F
2
P
set s2 [$ns node]
set s3 [$ns node]
#Creat destinations
set d1 [$ns node]
set d2 [$ns node]
set d3 [$ns node]
#Create nodes
set n1 [$ns node]
set n2 [$ns node]
set n3 [$ns node]
set n4 [$ns node]
set n5 [$ns node]
Tạo liên kết cho các nút với băng thông (Mbits/s) và trễ truyền dẫn (ms):
$ns duplex-link $s1 $n2 1Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n1 $n2 1.5Mb 150ms DropTail
$ns duplex-link $n2 $n3 1Mb 100ms DropTail
$ns duplex-link $n3 $n4 0.6Mb 50ms DropTail
$ns duplex-link $n4 $n5 0.5Mb 100ms DropTail
$ns duplex-link $n4 $d1 1Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n1 $s2 1Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n3 $d2 1Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n3 $s3 1Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n5 $d3 1Mb 10ms DropTail
Thiết lập vị trí cho các nút như trên
$ns duplex-link-op $s1 $n2 orient right
$ns duplex-link-op $n2 $n1 orient left-down
$ns duplex-link-op $n2 $n3 orient right

$ns duplex-link-op $n3 $n4 orient right
$ns duplex-link-op $n4 $n5 orient right-up
$ns duplex-link-op $n1 $s2 orient down
$ns duplex-link-op $n3 $s3 orient up
$ns duplex-link-op $n3 $d2 orient down
$ns duplex-link-op $n4 $d1 orient right
$ns duplex-link-op $n5 $d3 orient up
Thiết lập vị trí hàng đợi và kích thước hàng đợi
$ns duplex-link-op $n2 $n1 queuePos 1.5
$ns duplex-link-op $n3 $n2 queuePos 1.5
$ns duplex-link-op $n4 $n3 queuePos 1.5
$ns duplex-link-op $n5 $n4 queuePos 1.5
$ns queue-limit $n1 $n2 10
$ns queue-limit $n2 $n3 10
$ns queue-limit $n3 $n4 10
$ns queue-limit $n4 $n5 10
Xây dựng Agent cho các nút s1, s2, s3, d1, d2, d3
#Create a UDP agent and attach it to node s1
set udp0 [new Agent/UDP]
$udp0 set class_ 1
$ns attach-agent $s1 $udp0
#Create a UDP agent and attach it to node s2
set udp1 [new Agent/UDP]
$udp1 set class_ 2
$ns attach-agent $s2 $udp1
#Create a UDP agent and attach it to node s3
set udp2 [new Agent/UDP]
$udp2 set class_ 3
$ns attach-agent $s3 $udp2
#Create a Sink agent (a traffic sink) and attach it to node d1, d2, d3

set sink0 [new Agent/LossMonitor]
$ns attach-agent $d1 $sink0
set sink1 [new Agent/LossMonitor]
$ns attach-agent $d2 $sink1
set sink2 [new Agent/LossMonitor]
$ns attach-agent $d3 $sink2
Liên kết các nguồn và đích tương ứng
#Connect the traffic sources with the traffic sink
$ns connect $udp0 $sink0
$ns connect $udp1 $sink1
$ns connect $udp2 $sink2
Các gói truyền đi từ các nút s1, s2, s3 tuân theo phân bố Poisson được thiết lập
bởi các hàm sendpacket:
proc sendpacket0 {} {
global ns udp0 ArrivalTime1 pksize
set time [$ns now]
$ns at [expr $time + [$ArrivalTime1 value]] "sendpacket0"
$udp0 send $pksize
}
proc sendpacket1 {} {
global ns udp1 ArrivalTime2 pksize
set time [$ns now]
$ns at [expr $time + [$ArrivalTime2 value]] "sendpacket1"
$udp1 send $pksize
}
proc sendpacket2 {} {
global ns udp2 ArrivalTime1 pksize
set time [$ns now]
$ns at [expr $time + [$ArrivalTime1 value]] "sendpacket2"
$udp2 send $pksize

}
Với tốc độ phát gói của các nút được xác định bởi các biến sau, đơn vị gói/s:
set lambda1 285.0
set lambda2 665.0
thời gian để phát đi một gói sẽ là:
Set ArrivalTime1 [new RandomVariable/Exponential]
$ArrivalTime1 set avg_ [expr 1/$lambda1]
set ArrivalTime2 [new RandomVariable/Exponential]
$ArrivalTime2 set avg_ [expr 1/$lambda2]
kích thước mỗi gói (bytes) xác định bởi
set pksize 125.0
Các hàm sau lọc dữ liệu và lưu vào tracefile để vẽ đồ thị băng thông và đồ thị tốc
độ mất gói:
proc recordbw {} {
global sink0 sink1 sink2 f0 f1 f2
#Get an instance of the simulator
set ns [Simulator instance]
#Set the time after which the procedure should be called again
set time 0.5
#How many bytes have been received by the traffic sinks?
set bw0 [$sink0 set bytes_]
set bw1 [$sink1 set bytes_]
set bw2 [$sink2 set bytes_]
#Get the current time
set now [$ns now]
#Calculate the bandwidth (in Mbit/s) and write it to the files
puts $f0 "$now [expr $bw0/$time*8/1000000]"
puts $f1 "$now [expr $bw1/$time*8/1000000]"
puts $f2 "$now [expr $bw2/$time*8/1000000]"
#Reset the bytes_ values on the traffic sinks

$sink0 set bytes_ 0
$sink1 set bytes_ 0
$sink2 set bytes_ 0
#Re-schedule the procedure
$ns at [expr $now+$time] "recordbw"
}
proc recordlost {} {
global sink0 sink1 sink2 l0 l1 l2
#Get an instance of the simulator
set ns [Simulator instance]
#Set the time after which the procedure should be called again
set time 0.5
#How many packet have been lost?
set lost0 [$sink0 set nlost_]
set lost1 [$sink1 set nlost_]
set lost2 [$sink2 set nlost_]
#Get the current time
set now [$ns now]
#Calculate number of packet lost
puts $l0 "$now [expr $lost0]"
puts $l1 "$now [expr $lost1]"
puts $l2 "$now [expr $lost2]"
#Reset the nlost_ values on the traffic sinks
$sink0 set nlost_ 0
$sink1 set nlost_ 0
$sink2 set nlost_ 0
#Re-schedule the procedure
$ns at [expr $now+$time] "recordlost"
}
Hàm finish dùng để kết thúc chương trình và vẽ đồ thị:

proc finish {} {
global ns nf f0 f1 f2
$ns flush-trace
#Close the output files
close $f0
close $f1
close $f2
close $nf
#Execute nam on the trace file
exec nam out.nam &
#Call xgraph to display the results
exec xgraph S1_D1_Band.tr S2_D2_Band.tr S3_D3_Band.tr -geometry
800x400 -t "BandWidth" -x "s" -y "Mbit/s" &
exec xgraph S1_D1_Lost.tr S2_D2_Lost.tr S3_D3_Lost.tr -geometry
800x400 -t "LostPacket" -x "s" -y "Packet" &
exit 0
}
Thực hiện chạy mô phỏng trong 100s
#Schedule events for the CBR agents
$ns at 0.0 "recordbw"
$ns at 0.0 "recordlost"
$ns at 0.5 "sendpacket0"
$ns at 0.5 "sendpacket1"
$ns at 0.5 "sendpacket2"
#Call the finish procedure
$ns at 100 "finish"
#Run the simulation
$ns run
3. Kết quả mô phỏng:
Kết quả mô phỏng trên nam

Đồ thị băng thông của các luồng
Tốc độ mất gói