Luận văn thạc sĩ ứng dụng đại số gia tử cho bài toán quản lý hàng đợi tích cực trên mạng TCP IP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ THẾ HỢP

ỨNG DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO BÀI TOÁN QUẢN
LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRÊN MẠNG TCP/IP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

THÁI NGUYÊN - 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ THẾ HỢP

ỨNG DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO BÀI TOÁN QUẢN
LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRÊN MẠNG TCP/IP
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
KHOA ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN PHƯƠNG HUY

THÁI NGUYÊN - 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Thế Hợp
Sinh ngày: 13/03/1984
Học viên lớp cao học CHK20KTĐT - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Cao Đẳng nghề công nghệ và nông lâm Đông
Bắc
Xin cam đoan: Đề tài “Ứng dụng đại số gia tử cho bài tốn quản lý hàng đợi
tích cực trên mạng TCP/IP” do Thầy giáo TS. Nguyễn Phương Huy hướng dẫn là
cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất
xứ rõ ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung
trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách
nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 5 năm
2020
Tác giả luận văn

Lê Thế Hợp

1


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp
đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Phương Huy, luận
văn với đề tài “Ứng dụng đại số gia tử cho bài tốn quản lý hàng đợi tích cực trên
mạng TCP/IP” đã hồn thành.

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Phương Huy đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tơi
hồn thành luận văn này.
Trường Đại học công nghệ Kỹ thuật công nghệp và đặc biệt là các Thầy, cô trong
Khoa Điện tử đã giúp đỡ tơi trong q trình học tập cũng như thực hiện luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích
lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập, thực hiện và hồn thành luận
văn này.
Thái Nguyên, ngày 28 tháng 3 năm
2020
Tác giả luận văn

Lê Thế Hợp

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................
MỤC LỤC.............................................................................................................
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ...........................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .........................................................................
MỞ ĐẦU...............................................................................................................
CHƯƠNG 1 BÀI TOÁN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRÊN MẠNG
TCP/IP.......................................................................................................
1.1. Mạng TCP/IP và bài toán điều khiển tắc nghẽn ..............................................
1.1.1. Truyền số liệu trên mạng TCP/IP ................................................................

1.1.2. Các giải thuật điều khiển tắc nghẽn theo giao thức TCP ............................
1.2. Quản lý hàng đợi theo phương pháp truyền thống (thụ động)......................
1.3. Quản lý hàng đợi tích cực .............................................................................
1.3.1. Khái niệm quản lý hàng đợi tích cực ........................................................
1.3.2. Phân loại các phương pháp quản lý hàng đợi tích cực .............................
1.4. Hiện trạng nghiên cứu và các phương pháp tiếp cận bài toán AQM trong các
nghiên cứu trước đây. ..........................................................................................
1.4.1. Các phương pháp AQM dựa trên chiều dài hàng đợi ...............................
1.4.2. Quản lý hàng đợi tích cực dựa trên tốc độ lưu lượng đến ........................
1.4.3. Các giải thuật AQM dựa trên sự kết hợp giữa độ dài hàng đợi và kiểm soát
lưu lượng đến ......................................................................................................
1.5. Một số vấn đề lớn cịn tồn tại đối với bài tốn AQM ...................................
CHƯƠNG 2 ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN.....
2.1. Đại số gia tử ..................................................................................................
2.1.1. Dẫn nhập ...................................................................................................
2.1.2. Định nghĩa đại số gia tử ............................................................................
2.2. Các đại lượng đo trên đại số gia tử ...............................................................
3


2.2.1. Các hàm đo................................................................................................31
2.2.2. Định lượng đại số gia tử............................................................................32
2.3. Lập luận xấp xỉ dựa trên đại số gia tử và giải bài toán suy luận xấp xỉ bằng
nội suy.................................................................................................................35
2.4. Chuyển điều khiển mờ sang điều khiển dùng đại số gia tử.........................36
2.4.1. Điều khiển mờ kinh điển...........................................................................36
2.4.2. Điều khiển sử dụng đại số gia tử...............................................................37
CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ TRONG BÀI TOÁN CẢI TIẾN
GIẢI THUẬT REM_AQM.................................................................................38
3.1. Nhắc lại giải thuật REM...............................................................................38

3.2. Bộ điều khiển gia tử cho bài toán cải tiến giải thuật REM..........................39
3.2.1. Lựa chọn các thành phần đại số gia tử đối với các biến vào/ra................40
3.2.2. Xây dựng mơ hình tốn học cho mối quan hệ vào – ra của bộ điều khiển
HA.......................................................................................................................41
3.2.3. Tính tốn giá trị định lượng ngữ nghĩa cho các nhãn ngôn ngữ của các
biến......................................................................................................................43
3.3. Mô phỏng và đánh giá giải thuật HAC-REM với mạng đa tắc nghẽn.........46
3.3.1. Lựa chọn các tham số mô phỏng...............................................................46
3.3.2. Cấu trúc mạng mô phỏng..........................................................................47
3.3.3. Ảnh hưởng của lưu lượng tải và tốc độ đáp ứng.......................................48
3.3.4. Ảnh hưởng của trễ đến các phương pháp AQM....................................... 50
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................55

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu
ACK
AIMD
AQM
ARED

AVQ
CE
CWND
DT
DP
ECN

ES
FIFO
FL
FLC
FS
HA
HAC

HAC-REM

IP


5


NS2
PI
PH
QL
QoS
RED
REM
RTP
RTT
SC
TCP
TQL
UDP

6


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Kiến trúc mạng đơn giản.......................................................................5
Hình 1.2. Hiện tượng Time out.............................................................................7
Hình 1.3. Nguyên lý cửa sổ tắc nghẽn.................................................................. 8
Hình 1.4. Nguyên lý của việc lặp lại ba bản tin báo nhận.................................... 9
Hình 1.5. Thuật tốn khởi đầu chậm, truyền lại nhanh và khôi phục nhanh [16]
10
Hình 1.6. Phân loại các phương pháp quản lý hàng đợi tích cực........................14
Hình 1.7. Giải thuật RED truyền thống [11].......................................................16
Hình 1.8. Giải thuật RED với “gentle option”....................................................17
Hình 2.1. Tính mờ của giá trị ngơn ngữ..............................................................33
Hình 2.2. Lập luận xấp xỉ với đại số gia tử.........................................................35
Hình 3.1. Vị trí bộ điều khiển sử dụng gia tử cho bài tốn REM AQM.............39
Hình 3.2. Sơ đồ mô tả hệ thống điều khiển sử dụng HA.................................... 40
Hình 3.3. Sreal của bộ điều khiển HA..................................................................45
Hình 3.4. Cấu trúc mạng đa tắc nghẽn................................................................47
Hình 3.5. Kích thước hàng đợi của các phương pháp AQM khi N=800 luồng .. 48

Hình 3.6. Tỷ lệ mất gói và hiệu suất sử dụng tuyến của các giải thuật AQM khi
lưu lượng tải 250-800..........................................................................................49
Hình 3.7. Trễ trung bình và biến thiên độ trễ khi tăng lưu lượng từ 250-800.....50
Hình 3.8. Kích thước hàng đợi của các phương pháp AQM khi RTT=200 ms .. 51

Hình 3.9. Các tham số mạng khi RTT thay đổi từ 30, 120, 200 ms....................51

7

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Các tham số của REM........................................................................ 38
Bảng 3.2. Tham số mờ của đại số gia tử cho các biến Pr ( kT ) , Pr ( kT T ) , DP 41
Bảng 3.3. Mối quan hệ dấu của các gia tử và các phần tử sinh.......................... 41
Bảng 3.4. Hệ luật mờ cho bài toán REM AQM..................................................42
Bảng 3.5. Tham số mờ của đại số gia tử cho các biến Pr ( kT ) , Pr ( kT T ) và DP 43

Bảng 3.6. Giá trị định lượng ngữ nghĩa của các biến..........................................44

8


MỞ ĐẦU
1. Tính khoa học và cấp thiết của đề tài
Sự bùng nổ nhu cầu thông tin của khách hàng cùng với xu hướng hội nhập
trên một nền mạng chung duy nhất TCP/IP đã và đang đặt ra những thách thức
to lớn cho mạng truyền thông hiện tại. Khách hàng ngày càng đòi hỏi sự đa dạng
về số lượng dịch vụ cũng như sự hoàn thiện trong chất lượng dịch vụ. Do đó,
trên mạng lõi TCP/IP, các bài tốn quản lý mạng truyền thông như định tuyến,
quản lý tài nguyên, quản lý chất lượng, điều khiển lưu lượng mạng…cho các
loại hình dịch vụ khác nhau cũng cần phải được đáp ứng một cách tức thời, đồng
bộ, hiệu quả và thông minh.
Một trong các bài tốn kể trên chính là quản lý hàng đợi tích cực (Active
Queue Management – AQM) tại các router trên mạng TCP/IP. Mục đích của bài
tốn này là căn cứ vào tình trạng hiện tại của hàng đợi hoặc/và tốc độ của các
nguồn lưu lượng đến để đưa ra cơ chế chủ động loại bỏ gói tin của các luồng lưu
lượng đến theo một cách thức phù hợp sao cho ln duy trì chiều dài trung bình
(hoặc tức thời) của hàng đợi ở một mức đặt trước phù hợp. Việc ổn định chiều

dài của hàng đợi sẽ làm cho một số thông số hoạt động của mạng TCP/IP như tỷ
lệ mất gói, hiệu suất sử dụng tuyến, trễ trung bình và biến thiên độ trễ dao động
trong một phạm vi hợp lý. Điều này sẽ vừa đảm bảo không gây tắc nghẽn trên
mạng, vừa tạo điều kiện cung cấp và duy trì một cách tốt nhất chất lượng dịch
vụ (Quality of Service –QoS) của các luồng lưu lượng đến khác nhau.
Để giải quyết bài toán AQM, ba phương pháp truyền thống được biết đến
là quản lý hàng đợi dựa trên chiều dài hàng đợi (đại diện tiêu biểu là giải thuật
loại bỏ gói ngẫu nhiên sớm - Random Early Discard - RED), quản lý hàng đợi
dựa trên tốc độ lưu lượng đến (mà đại diện là giải thuật Blue) và quản lý hàng
đợi dựa trên sự kết hợp cả chiều dài và tốc độ lưu lượng đến (điển hình là giải
thuật đánh dấu ngẫu nhiên theo hàm mũ - Random Exponential Marking REM).

1


Gần đây, nhằm nâng cao hiệu quả của bài toán AQM, ngồi ba thuật tốn
tiêu biểu kể trên, đã có rất nhiều phương pháp khác được cơng bố. Các cơng
trình này xoay quanh việc sửa đổi RED, Blue, REM hoặc kết hợp các phương
pháp. Các kết quả thu được đã phần nào đáp ứng được yêu cầu của bài toán
AQM. Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn cần được cải tiến sao cho vừa đơn
giản hóa khi thực hiện, vừa nâng cao tính thơng minh trong việc duy trì độ dài
hàng đợi trung bình trong điều kiện động học của mạng ln thay đổi, vừa đảm
bảo tính cơng bằng trong việc loại bỏ gói đối với các luồng lưu lượng đến.
Các nhược điểm cố hữu trên của các bài toán AQM truyền thống sẽ được
khắc phục khi áp dụng các thành tựu đạt được của lĩnh vực khoa học máy tính
mà cụ thể là trí tuệ nhân tạo nhằm bổ sung khả năng học, khả năng ra quyết định
thông minh của hệ thống. Một trong các công cụ thường được sử dụng chính là
logic mờ. Việc áp dụng logic mờ cho các giải thuật AQM đã có nhiều tác giả
nghiên cứu trong những năm gần đây. Mục đích của việc áp dụng logic mờ là
nhằm đơn giản hóa việc thiết kế các giải thuật AQM dựa trên một mức độ sai số

cho phép.
Đại số gia tử là một hướng tiếp cận tương đương với logic mờ (do người
Việt phát minh). Thậm chí, trong một số bài tốn thực tế, chất lượng của bộ điều
khiển sử dụng đại số gia tử cho kết quả tốt hơn do ưu điểm ở việc đảm bảo mối
quan hệ thứ tự giữa các giá trị ngôn ngữ xuất hiện trong hệ luật của suy luận.
Từ các phân tích trên, được sự hướng dẫn của Thầy giáo TS. Nguyễn
Phương Huy, học viên đề xuất đề tài luận văn tốt nghiệp là “ Ứng dụng đại số
gia tử cho bài tốn quản lý hàng đợi tích cực trên mạng TCP/IP”.
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Năm 2001, Athuraliya, Li, Low, và Yin (2001) đề xuất một giải thuật
AQM gọi là đánh dấu ngẫu nhiên theo hàm mũ - REM. Ý tưởng chính cho việc
thiết kế giải thuật này là ổn định hóa cả tốc độ đầu vào xung quanh dung lượng
của liên kết và chiều dài hàng đợi xung quanh một giá trị mục tiêu nhỏ.

2


Logic mờ được áp dụng trong viễn thông từ rất sớm do những kết quả hấp
dẫn đạt được khi áp dụng logic mờ trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, việc áp
dụng logic mờ cho các giải thuật AQM chỉ được đề xuất trong những năm rất
gần đây. Mục đích của việc áp dụng logic mờ là nhằm đơn giản hóa việc thiết kế
các giải thuật AQM dựa trên một mức độ sai số cho phép. Đã có rất nhiều tác giả
đã đề xuất cải tiến các giải thuật AQM truyền thống dựa trên lý thuyết điều
khiển mờ [7] [15] Đặc biệt, dựa trên giải thuật REM, một bộ điều khiển tự thích
nghi gọi là FUZREM được thiết kế trong [18] tự động điều chỉnh các quy tắc
cho REM.
Đại số gia tử là một hướng tiếp cận tương đương với logic mờ. Trong một
số bài toán cụ thể, đại số gia tử đã chứng minh tính ưu việt hơn so với logic mờ
do việc đảm bảo trật tự của các giá trị ngôn ngữ xuất hiện trong hệ luật của suy
luận [4] [8] . Tuy nhiên, đến thời điểm hiện tại, chưa có cơng trình nghiên cứu

nào trên thế giới áp dụng đại số gia tử cho bài toán AQM.
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu:
Mục tiêu của đề tài là chứng minh khả năng ứng dụng mơ hình tính tốn
có sử dụng đại số gia tử cho bài toán AQM theo thuật tốn REM trên mạng
TCP/IP. Về mặt bản chất chính là xây dựng giải thuật điều khiển trên router (sử
dụng đại số gia tử) chủ động loại bỏ gói tin để duy trì chiều dài hàng đợi ở một
ngưỡng phù hợp dựa trên thông tin về chiều dài hàng đợi và tốc độ của luồng
thông tin đến. Giải thuật điều khiển này sẽ phải được chứng minh hiệu quả trong
việc nâng cao chất lượng mạng TCP/IP.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đánh giá hiệu quả của thuật toán cải tiến thu được thông qua công cụ mô
phỏng NS2 trên một tôpô mạng TCP/IP phù hợp được cộng đồng quốc tế công
nhận.

3


4.
-

Phương pháp luận nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, nghiên cứu các tài liệu về

TCP/IP, các giải thuật AQM, logic mờ, đại số gia tử và ứng dụng trong điều
khiển.
-

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Sau khi nghiên cứu lý thuyết,

phát biểu thuật toán, đưa ra giải pháp xử lý; cài đặt phần mềm mô phỏng dùng
công cụ NS2; So sánh và đánh giá các kết quả đạt được so với các phương pháp
khác.
-

Phương pháp trao đổi khoa học: Thảo luận, xemina, lấy ý kiến chuyên

gia, công bố các kết quả nghiên cứu trên tạp chí khoa học.

4


CHƯƠNG 1
BÀI TỐN QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC
TRÊN MẠNG TCP/IP
1.1. Mạng TCP/IP và bài toán điều khiển tắc nghẽn
1.1.1. Truyền số liệu trên mạng TCP/IP

Hình 1.1. Kiến trúc mạng đơn giản.
Trên mạng TCP/IP, thông tin muốn gửi đi được chia thành các đơn vị dữ
liệu nhỏ gọi là gói tin. Ngồi việc gửi đi các gói tin, phía phát đồng thời đóng
gói những thơng tin điều khiển việc chuyển vận gói tin đó và đặt nó ở đầu của
mỗi gói tin (Packet Header - PH). Mỗi một PH chứa địa chỉ nguồn để định rõ
địa chỉ nơi gửi gói đó. PH cũng chứa địa chỉ IP đích là nơi mà gói tin phải
chuyển đến. Các bộ định tuyến sẽ dùng địa chỉ đích này để xác định đích đến
của gói tin và thực hiện cơng việc chuyển gói tin đến đúng địa chỉ.
Khi có nhiều gói tin từ nhiều nguồn khác nhau cùng đến bộ định tuyến với
một lộ trình đầu ra giống nhau thì chỉ có duy nhất một gói tin được đáp ứng, các
gói tin cịn lại bị đẩy vào một hàng đợi tại mối liên kết đầu ra mà chúng yêu cầu.
Khi nhịp độ đến bộ định tuyến của các gói tin như vậy tăng lên, chúng sẽ tiếp

tục được đưa vào hàng đợi đó. Nếu tốc độ chuyển các gói tin đi của bộ định
tuyến lớn hơn tốc độ các gói tin đến thì sau một khoảng thời gian nào đó hàng
đợi sẽ trở nên rỗng. Ngược lại, nếu tốc độ chuyển các gói tin đi nhỏ hơn tốc độ

5


các gói tin đến bộ định tuyến thì sau một khoảng thời gian hàng đợi sẽ đầy và
hiện tượng tắc nghẽn xảy ra [11] , [16] .
Một cách cách tổng quát có thể định nghĩa tắc nghẽn như sau: “Trong q
trình hoạt động, mạng có thể rơi vào trạng thái không đủ khả năng đáp ứng các
chỉ tiêu chất lượng cho các kết nối đã được thiết lập hay cho một yêu cầu kết nối
mới do sự biến đổi bất thường, khơng dự đốn được của dịng lưu lượng cùng
với tình trạng lỗi của các phần tử mạng” [16] .
Các gói tin đi vào và đi ra các bộ định tuyến trên mạng TCP/IP thường
dưới dạng cụm từ một hoặc nhiều nguồn khác nhau. Các hàng đợi bên trong sẽ
giúp các bộ định tuyến lưu trữ các cụm gói tin này cho đến khi chúng được
chuyển đi. Khi các cụm gói tin đến đến vượt q kích thước của hàng đợi thì sẽ
xảy ra tình trạng tắc nghẽn. Các gói đến sau sẽ bị loại bỏ.
Như vậy, tắc nghẽn trên mạng TCP/IP xảy ra khi lưu lượng từ nhiều tuyến
đổ dồn về một tuyến và tuyến này khơng có khả năng xử lý hết được. Tắc nghẽn
cũng xảy ra ngay bên trong bản thân bộ định tuyến tại mạng lõi của mạng khi
các nút mạng nhận được nhiều lưu lượng hơn so với thiết kế của nó.
Khi mạng xảy ra tắc nghẽn nếu không được xử lý kịp thời sẽ gây ra các
hậu quả nghiêm trọng: các gói tin khơng được xử lý kịp, không chuyển được đến
đầu cuối người nhận, gây ùn tắc trong mạng, mạng không hoạt động được trong
thời gian dài và như vậy không thể truyền tải được dữ liệu, các thành phần có
thể bị hư hỏng. Do đó, vấn đề quan trọng là phải điều khiển được tắc nghẽn
trong mạng. Để làm được điều này, việc tăng chiều dài hàng đợi không phải là
giải pháp tốt vì khi tăng kích thước bộ đệm đồng nghĩa với việc tạo ra trễ lớn và

làm ảnh hưởng đến QoS của các dịch vụ thời gian thực trên mạng TCP/IP. Chính
vì vậy, mạng TCP/IP cần phải có một cơ chế loại bỏ gói tin một cách phù hợp để
loại bỏ tắc nghẽn khi nó đã xảy ra hoặc lý tưởng hơn là phịng tránh tắc nghẽn
khi nó chưa kịp xảy ra.

6


1.1.2. Các giải thuật điều khiển tắc nghẽn theo giao thức TCP
1.1.2.1. Giao thức TCP
Giao thức điều khiển truyền tải - Transmission Control Protocol (TCP) là
một giao thức truyền thông từ đầu cuối đến đầu cuối cho phép thiết lập một liên
kết trực tiếp giữa nguồn và đích. Đặc điểm chính của giao thức này là xác minh
kết quả nhận dữ liệu ở đầu thu bằng cách sử dụng cơ chế báo nhận. Nếu gói tin
bị mất, bên phát sẽ gửi lại gói tin một lần nữa. Do đó, TCP sẽ đảm bảo truyền tải
tồn vẹn thơng tin. TCP là một giao thức chung, không phụ thuộc vào mạng
được sử dụng. Chính vì vậy, để đạt được thơng lượng tối đa, TCP sẽ từng bước
điều chỉnh hoạt động cho đến khi đạt đến thông lượng giới hạn thông qua các cơ
chế hoạt động của nó.
1.1.2.2. Một số thuật ngữ
Để làm rõ hơn hoạt động của giao thức TCP, báo cáo sử dụng một số thuật
ngữ sau đây:

+
Hình 1.2. Hiện tượng Time out



Bản tin báo nhận (Acknowledgement - ACK): Là một thông điệp được

gửi bởi bên nhận để thông báo cho bên gửi biết số gói tin đã thu được đúng. Nếu
bên gửi khơng nhận được ACK có nghĩa là các gói dữ liệu bị mất, kết quả là bên
gửi phải phát các gói dữ liệu mất một lần nữa (Hình 1.2).

7




Timeout: Liên quan đến thời gian chờ đợi một báo nhận. Bộ đếm thời
gian sẽ bắt đầu khi một gói tin được gửi đi. Khi hết thời gian chờ đợi mà chưa
nhận được ACK, bên gửi sẽ giả định là gói tin đã bị mất và truyền lại.



Bộ đệm: Là một vùng nhớ truy xuất ngẫu nhiên được sử dụng để lưu
trữ dữ liệu tạm thời. Khi gói tin đến đầu thu, chúng sẽ được lưu vào bộ đệm để
chờ xử lý.



Tắc nghẽn: Là một hiện tượng bão hòa, xảy ra khi lưu lượng truy cập

quá lớn. Ví dụ khi bộ đệm nhận được số gói dữ liệu nhiều hơn so với khả năng
của mình, hoặc khi chuyển tiếp dữ liệu từ một mạng dung lượng cao tới một
mạng có dung lượng thấp hơn. Tắc nghẽn sẽ dẫn đến mất mát dữ liệu.



Cửa sổ tắc nghẽn (Congestion Window - cwnd): Là một biến trạng thái

của TCP nhằm giới hạn số lượng gói dữ liệu mà một giao thức TCP có thể gửi
khi chưa nhận được một ACK. Số lượng gói số liệu được gửi trong thực tế sẽ là
giá trị nhỏ nhất của cwnd và kích thước cửa sổ nhận mà bên thu đã đề nghị.



Thời gian cho một chu trình của gói tin (Round Trip Time - RTT): Là

thời gian cần thiết để một gói tin đạt đến đích cộng với thời gian của ACK cho
gói tin này. Nó tương ứng với thời gian trao đổi của một segment giữa bên gửi
và bên nhận.

Hình 1.3. Nguyên lý cửa sổ tắc nghẽn
8




Hiện tượng lặp lại ba bản tin báo nhận: Hiện tượng này xảy ra khi

một gói tin bị mất trong quá trình truyền tải. Theo cơ chế của TCP, các gói tin
đến tiếp vẫn làm cho bên nhận gửi các ACK chứa số hiệu của gói tin cuối cùng
chính xác nhận được. Do vậy, số thứ tự gói trước gói bị mất sẽ được gửi cho đến
khi gói bị mất được truyền lại và nhận chính xác. Khi bên gửi thu được 3 ACK
giống nhau, nó sẽ gửi lại các gói tin bị mất (xem Hình 1.4).

Hình 1.4. Ngun lý của việc lặp lại ba bản tin báo
nhận 1.1.2.3. Các giải thuật tránh tắc nghẽn trên mạng TCP/IP
Giải thuật tránh tắc nghẽn trên mạng TCP/IP được phát triển nhằm điều

chỉnh tốc độ của các luồng lưu lượng sao cho càng gần với "giới hạn truyền tải"
càng tốt để truyền tải tối đa thông tin và tránh tắc nghẽn mạng. Giả thuyết cơ
bản của giải thuật này là coi việc một gói tin bị mất tương đương với tình trạng
tắc nghẽn. Nguyên tắc của giải thuật là điều khiển tốc độ của từng nguồn theo
trạng thái lưu lượng. Nguyên tắc này khá đơn giản. Khi bắt đầu hoạt động, mỗi
nguồn tăng dần tốc độ lưu lượng. Sự gia tăng này sẽ diễn ra liên tục cho đến khi
xảy ra mất gói tin. Điều này có nghĩa là tắc nghẽn được phát hiện ở một nơi nào
đó trong mạng. Do vậy, nguồn lưu lượng phải giảm tốc độ đủ để thoát khỏi tình
trạng tắc nghẽn. Đây chính là điểm cơ bản của các giải thuật điều khiển tắc
nghẽn “tăng cộng giảm nhân” (Additive Increase Multiplicative DecreaseAIMD) trên mạng TCP/IP [12] .

9


Để cải thiện khả năng hoạt động của giao thức TCP, một số giải thuật đã
được thêm vào trong các phiên bản TCP khác nhau (Tahoe, Reno, Vegas, New
Reno, Santa Cruz...). Trong đó, TCP New Reno là giao thức được sử dụng rộng
rãi nhất trong thời gian gần đây. Các giải thuật cải tiến hoạt động của TCP (Hình
1.5) bao gồm:

Hình 1.5. Thuật tốn khởi đầu chậm, truyền lại nhanh và khôi phục nhanh [16]



Giải thuật khởi đầu chậm và tránh tắc nghẽn [16] : Gồm hai pha khởi đầu

chậm và tránh tác nghẽn. Ban đầu, TCP hoạt động ở pha khởi đầu chậm. Mục
đích là để có được một ngưỡng dự đoán tắc nghẽn. Bắt đầu pha khởi đầu chậm,
TCP thiết lập cwnd =1. Mỗi khi nhận được một ACK, cwnd sẽ tăng lên một đơn
vị (nhưng không vượt quá cửa sổ nhận mà bên thu thông báo). Do vậy, cwnd sẽ

tăng lên theo hàm mũ cho tới khi đạt đến ngưỡng khởi đầu chậm (Ssthresh) thì
chuyển sang pha tránh tắc nghẽn. Trong giai đoạn tránh tắc nghẽn, TCP sẽ điều
chỉnh cwnd=cwnd +1/cwnd mỗi khi nhận được một ACK cho đến khi việc mất
gói xảy ra. Khi phát hiện mất gói, nguồn phát sẽ đặt Ssthresh = cwnd/2, truyền
lại các gói tin bị mất và trở về pha khởi đầu chậm bằng cách đặt lại cwnd bằng 1.



Giải thuật truyền lại nhanh [16] : Mục đích là để khơi phục hoạt động của

TCP hiệu quả hơn từ việc mất gói. Khi nhận được hai bản tin báo nhận
giống nhau, TCP xem như đây là trường hợp lặp lại ba bản tin báo nhận và
đường truyền đã bị tắc nghẽn. Thay vì mất thời gian chờ đợi Timeout, nguồn sẽ
giảm tốc độ và truyền lại các gói tin bị mất.
10




Giải thuật khôi phục nhanh [16] : Khi việc mất gói được phát hiện do

hiện tượng lặp lại bản tin báo nhận, TCP trở về pha khởi đầu chậm bằng cách đặt
Ssthresh = cwnd/2 và cwnd=1. Nếu kích thước cửa sổ là lớn và tỉ lệ lỗi là nhỏ
thì thay vì tiếp tục giải thuật khởi đầu chậm, TCP sẽ chuyển sang giải thuật khôi
phục nhanh. Lúc này, cửa sổ tắc nghẽn cwnd = Ssthresh/2 +3 và chuyển thẳng
sang pha tránh tắc nghẽn.
1.2. Quản lý hàng đợi theo phương pháp truyền thống (thụ động)
Các giải thuật điều khiển tắc nghẽn theo giao thức TCP kể trên về bản
chất chính là điều khiển tắc nghẽn phía đầu cuối. Phương pháp điều khiển tắc
nghẽn này tồn tại một nhược điểm lớn. Trong mọi trường hợp, điều khiển tắc

nghẽn đầu cuối đều là tìm cách phản ứng để hồi phục mạng sau khi tắc nghẽn đã
xảy ra. Điều này sẽ dẫn đến tồn tại một thời gian đáng kể giữa thời điểm gói bị
loại bỏ tại các bộ định tuyến và khi nguồn phát hiện ra sự mất mát này. Trong
khoảng thời gian đó, nguồn sẽ vẫn tiếp tục gửi tại tốc độ truyền tải cao mà mạng
không thể hỗ trợ, dẫn đến một số lượng lớn gói bị loại bỏ thêm. Để khắc phục
điều này, người ta sử dụng kết hợp thêm các giải thuật quản lý tắc nghẽn ở phía
mạng. Một trong số đó là giải thuật quản lý hàng đợi nhằm quản lý chiều dài
hàng đợi của bộ định tuyến bằng cách loại bỏ các gói khi cần thiết.
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 được chấp nhận đưa vào hàng
đợi cho đến khi hàng đợi đạt giá trị lớn nhất, sau đó sẽ loại bỏ những gói tin
được chuyển đến tiếp theo cho đến khi hàng đợi được giảm bớt bởi các gói đã
được truyền đi. Kỹ thuật này được gọi là loại bỏ đuôi (Drop Tail – DT) (Khi
hàng đợi đầy thì loại bỏ những gói tin ở cuối hàng đợi). Phương pháp này có 2
hạn chế cơ bản [3] ,[11] :
-

Lock out (khoá) : Trong một số trường hợp, kỹ thuật DT sẽ làm cho một

kết nối đơn hoặc vài luồng dữ liệu độc quyền xếp hàng ngăn ngừa các kết nối
khác trong cùng hàng đợi. Hiện tượng “lock out” sẽ kéo theo sự đồng bộ hoá
trên toàn mạng hay các hiệu ứng thời gian khác.
11


-

Full queue (hàng đợi đầy ): Kỹ thuật loại bỏ đi có thể làm cho hàng

đợi ln bị duy trì ở nguyên trạng thái đầy trong suốt thời gian dài cho đến khi

hết tắc nghẽn. Điều này làm cho tất cả các gói tin đến sau của bất cứ luồng nào
đều bị loại bỏ. Để khắc phục nhược điểm trên cần giảm bớt kích thước hàng đợi
và đây là điều quan trọng nhất trong mục đích quản lý hàng đợi. Khi hàng đợi
đầy hoặc gần đầy, các cụm lưu lượng đến sẽ làm cho nhiều gói tin bị loại bỏ.
Điều này có thể dẫn đến một sự đồng bộ hóa ở phạm vi lớn các gói tin đến sau
và làm cho lưu lượng tồn bộ q trình giảm. Do vậy, Full Queue gây lên trạng
thái không ổn định trong hàng đợi [3] , [11] .
1.3. Quản lý hàng đợi tích cực
1.3.1. Khái niệm quản lý hàng đợi tích cực
Một giải pháp quan trọng và ưu việt hơn trong điều khiển tắc nghẽn là sử
dụng kỹ thuật AQM. Đó là một kĩ thuật cho phép các bộ định tuyến chủ động
loại bỏ gói ngay để tránh tràn hàng đợi và giảm tốc độ lưu lượng đến.
Mục tiêu quan trọng nhất của các giải thuật AQM là ngăn ngừa sự tắc
nghẽn trước khi nó thực sự xuất hiện. Như vậy, sử dụng các giải thuật AQM sẽ
đem lại những hiệu quả: giảm bớt sự mất mát các gói tin, đạt được một lưu
lượng 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 tương tác như 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 hố tồn cục bằng sự ngẫu nhiên trong
quyết định đánh dấu hay loại bỏ gói tin. Khi một sự tắc nghẽn được nghi ngờ
trên một mối liên kết nào đó, giải thuật AQM khơng đánh dấu hay loại bỏ gói tin
một cách tất định mà là ngẫu nhiên. Xác suất đánh dấu hay loại bỏ của một gói
tin được chuyển đến thơng thường phụ thuộc vào độ ước tính của sự tắc nghẽn
trên mối liên kết [11] .

12


Một cơ chế AQM có thể đem lại những ưu điểm sau:

-

Giảm bớt tỷ lệ mất gói trung bình qua bộ định tuyến. Các gói tin đến bộ

định tuyến dưới dạng cụm là một khía cạnh khơng thể tránh được của mạng gói.
Nếu tất cả khơng gian hàng đợi trong bộ định tuyến đã ở trạng thái chuyển vận
ổn định, hay nếu không gian bộ đệm không đủ, bộ định tuyến sẽ khơng có khả
năng xử lý các cụm gói tin. Bằng việc giữ cho kích thước hàng đợi ổn định ở
một mức phù hợp, quản lý hàng đợi tích cực sẽ cung cấp khả năng lớn hơn để
giảm bớt các gói bị loại bỏ trong q trình chuyển vận. Hơn nữa, nếu như khơng
có quản lý hàng đợi tích cực thì sẽ có nhiều gói tin bị loại bỏ khi hàng đợi bị tràn
đầy.
-

Giảm độ trễ dịch vụ: Bằng việc giữ cho kích thước hàng đợi trung bình

nhỏ, quản lý hàng đợi sẽ giảm bớt độ trễ giữa các luồng dữ liệu.
-

Tránh hiện tượng Knock-out: Quản lý hàng đợi tích cực sẽ gần như ln

ln đảm bảo một bộ đệm sẵn cho các gói tin được chuyển tới hàng đợi. Hàng
đợi tích cực sẽ có thể ngăn ngừa một sự thiên lệch trong bộ định tuyến ưu tiên
các luồng lưu lượng dạng cụm cao, ngăn các luồng lưu lượng thấp [3] .
1.3.2. Phân loại các phương pháp quản lý hàng đợi tích cực
Căn cứ theo các tham số được sử dụng để đo lường sự tắc nghẽn, các
phương pháp AQM có thể được phân ra thành ba nhóm: theo chiều dài hàng đợi,
theo tốc độ lưu lượng đến và theo sự kết hợp đồng thời cả chiều dài hàng đợi và
tốc độ lưu lượng đến. Trong các phương pháp AQM dựa trên chiều dài hàng đợi,
hiện tượng tắc nghẽn được thể hiện dựa trên độ dài tức thời hoặc trung bình của

hàng đợi và mục đích của q trình điều khiển là ổn định độ dài hàng đợi.
Phương pháp dựa trên sự kiểm soát tốc độ lưu lượng đến dự đốn chính xác khả
năng sử dụng tuyến liên kết, xác định tắc nghẽn và đưa ra hành động dựa trên
tốc độ gói tin đến. Phương pháp dựa trên tốc độ lưu lượng đến có thể cung cấp
sự phản hồi sớm cho các trường hợp tắc nghẽn. Các phương pháp AQM khác sử
dụng kết hợp cả độ dài hàng đợi và kiểm soát lưu lượng đến để đo lường tắc

13