i h c hu ng i h c khoa h c - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công...

62
ĐẠI HC HUTRƯỜNG ĐẠI HC KHOA HC NGUYỄN KIM QUỐC NGHIÊN CỨU CI TIN CHĐIỀU KHIỂN TI CÁC NÚT MẠNG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH SỐ: 62.48.01.01 TÓM TĂT LUN ÁN TIN SĨ MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DN KHOA HC: 1. GS. TS. NGUYN THÚC HI 2. PGS. TS. VÕ THANH TÚ HUẾ, 2015

Upload: others

Post on 09-Jul-2020

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

ĐẠI HỌC HUẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN KIM QUỐC

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN CƠ CHẾ ĐIỀU

KHIỂN TẠI CÁC NÚT MẠNG

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH

MÃ SỐ: 62.48.01.01

TÓM TĂT LUẬN ÁN TIẾN SĨ MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS. TS. NGUYỄN THÚC HẢI

2. PGS. TS. VÕ THANH TÚ

HUẾ, 2015

Page 2: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế

Người hướng dẫn khoa học:

GS. TS. Nguyễn Thúc Hải

PGS. TS. Võ Thanh Tú

Phản biện 1: ............................................................................................................

...............................................................................................................

Phản biện 2: ............................................................................................................

...................................................................................................................................

Phản biện 3: ............................................................................................................

...................................................................................................................................

Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Huế, họp tại:

…………………………………………………………………………...

Vào hồi … giờ … ngày … tháng … năm ………….

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1. Thư viện Quốc gia Hà Nội

2. Trung tâm Học liệu – Đại học Huế

3. Thư viện trường Đại học Khoa học – Đại học Huế

Page 3: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

1

MỞ ĐẦU

Internet là một hệ thống kết nối mạng toàn cầu đảm bảo liên thông giữa các hệ thống máy

tính và thiết bị trên diện rộng. Internet ngày càng phát triển không chỉ về số lượng kết nối mà

còn sự đa dạng của các lớp ứng dụng. Do đó, vấn đề xảy ra tắc nghẽn trên Internet là không

thể tránh khỏi. Vì vậy, để đảm bảo thông suốt đường truyền, kiểm soát tắc nghẽn tại nút mạng

đóng một vai trò rất quan trọng cho Internet hoạt động hiệu quả và tin cậy với người sử dụng.

Phần mở đầu của luận án đi từ tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế về

kiểm soát tắc nghẽn tại nút mạng nhằm thể hiện tính khoa học và cấp thiết của luận án, từ đó

đưa ra các động lực nghiên cứu và các mục tiêu nghiên cứu. Tiếp theo của phần mở đầu là đề

xuất phương pháp nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu, nhằm thực hiện các mục tiêu nghiên

cứu. Sau cùng của phần mở đầu là trình bày bố cục và các đóng góp của luận án.

1. Tính khoa học và cấp thiết luận án

Thông thường có hai phương án để kiểm soát tránh tắc nghẽn là tăng hiệu suất các thiết bị

phần cứng và dùng kỹ thuật phần mềm. Việc tăng hiệu suất các thiết bị là cần thiết, nhưng lại

khá tốn kém, khó đồng bộ và hiệu quả chưa cao. Ngược lại, dùng kỹ thuật phần mềm để kiểm

soát tắc nghẽn đã đem lại hiệu quả rất lớn. Trong kỹ thuật này có hai phương pháp được quan

tâm và phát triển, đó là: cải tiến các giao thức điều khiển truyền thông và nâng cao các kỹ

thuật quản lý hàng đợi tích cực (AQM: Active Queue Management) tại các nút mạng

[17][28][55]. Việc tăng hiệu năng của giao thức TCP thông qua các biến thể đã triển khai trên

Internet và đã đem lại hiệu quả rất lớn. Tuy nhiên, do sự đa chuẩn của các loại mạng, sự phong

phú các thiết bị kết nối và sự phức tạp các ứng dụng truyền thông nên điều quan trọng là cần

có những cơ chế quản lý hàng đợi tích cực tại các nút mạng để hỗ trợ điều tiết lưu thông trên

mạng, nhằm tránh và giải quyết tắc nghẽn [7][10][51].

Quản lý hàng đợi tích cực hoạt động tại các nút mạng nhằm kiểm soát số lượng các gói dữ

liệu trong hàng đợi của nút mạng, bằng cách chủ động loại bỏ gói tin đến khi hàng đợi đầy

hay thông báo tắc nghẽn khi mạng còn trong thời kỳ “phôi thai” của tắc nghẽn để điều tiết lưu

thông trên mạng. Việc ổn định chiều dài của hàng đợi sẽ làm cho một số thông số hiệu năng

của mạng TCP/IP như: tỷ lệ mất gói, hiệu suất sử dụng đường truyền, trễ trung bình và biến

thiên dao động độ trễ 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

mạng [7][39][62].

Hiện có ba hướng tiếp cận để giải quyết bài toán quản lý hàng đợi tích cực, bao gồm: Quản

lý hàng đợi dựa trên chiều dài hàng đợi (tiêu biểu là cơ chế RED) [22] [25][67], quản lý hàng

đợi dựa trên lưu lượng gói tin đến - còn gọi là tải nạp (đại diện là cơ chế BLUE) [24][73] và

quản lý hàng đợi dựa trên sự kết hợp cả chiều dài hàng đợi và lưu lượng gói tin đến (điển hình

là cơ chế REM) [57][65]. Trong những năm gần đây, nhằm nâng cao hiệu năng của các cơ

chế quản lý hàng đợi tích cực, ngoài ba cơ chế tiêu biểu kể trên, đã có rất nhiều cơ chế khác

được công bố. Các công trình này xoay quanh việc cải tiến các cơ chế RED, BLUE và REM

[18][26][54]. Các kết quả thu được đã phần nào đáp ứng được yêu cầu của bài toán quản lý

hàng đợi tích cực [54][66]. Tuy nhiên, các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực này vẫn còn một

số nhược điểm cố hữu, như: sử dụng các hàm tuyến tính để xác định mức độ tắc nghẽn và

tính xác suất đánh dấu/cho rơi gói tin; và khó có thể cài đặt các tham số cho các cơ chế để

phù hợp với từng môi trường mạng khác nhau [39][59][76].

Tính toán mềm (SC: Soft Computing) bao gồm các công cụ: logic mờ, mạng nơ-ron, lập

luận xác suất, tính toán tiến hóa. Mục tiêu của tính toán mềm là giải quyết các bài toán xấp

Page 4: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

2

xỉ, gần đúng đang là một xu hướng mới, cho phép một bài toán cụ thể sẽ được khai thác với

mục tiêu sao cho hệ thống dễ thiết kế, giá thành thấp nhưng vẫn đảm bảo tính đúng đắn và

thông minh trong quá trình thực hiện với một ngưỡng sai số chấp nhận. Các ứng dụng thành

công của tính toán mềm cho thấy tính toán mềm ngày càng phát triển mạnh và đóng vai trò

quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau của khoa học và kỹ thuật [36][45]. Trong kỹ thuật

tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người,

nhờ vào các hàm thuộc và hệ luật mờ. Do đó, logic mờ được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều

lĩnh vực, đặc biệt là trong các lĩnh vực điều khiển tự động [5][8]. Bên cạnh logic mờ, với thế

mạnh về cập nhật tri thức thông qua quá trình huấn luyện nên mạng nơ-ron cũng được sử

dụng rộng rãi và phổ biến, nhất là trong lĩnh vực khoa học máy tính [53][68].

Vì những tính ưu việt của tính toán mềm mà trong những năm gần đây, các nhà khoa học

đã sử dụng công cụ tính toán mềm để cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực tại nút

mạng [23][32][50][78]. Tuy nhiên, cần có sự kết hợp các công cụ tính toán mềm để phát huy

ưu điểm và giảm trừ khuyết điểm cho các công cụ khi xây dựng các cơ chế quản lý hàng đợi

tích cực là cần thiết. Vì vậy, các cơ chế này vẫn cần được cải tiến sao cho vừa đơn giản khi

thực hiện, vừa điều khiển linh hoạt, vừa thích nghi môi trường mạng, vừa đảm bảo tính công

bằng trong việc nhận hay loại bỏ các gói tin đối với các luồng lưu lượng đến, vừa duy trì độ

dài hàng đợi trung bình trong điều kiện tình trạng của mạng luôn thay đổi. Do đó, nghiên cứu

cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực, bằng cách kết hợp các kỹ thuật tính toán mềm

với các phương pháp điều khiển hiện đại nhằm bổ sung khả năng xử lý, khả năng ra quyết

định thông minh cho hệ thống quản lý hàng đợi tích cực tại nút mạng là rất cần thiết và cấp

bách.

2. Động lực nghiên cứu

Thứ nhất, độ tuyến tính của các hàm kiểm soát trong các cơ chế không thể nắm bắt để

điều khiển hiệu quả tính phi tuyến của mạng và sự phụ thuộc tĩnh của các cơ chế vào các tham

số nên không thể thích nghi tình trạng mạng luôn thay đổi. Vấn đề này được luận án sử dụng

phương pháp điều khiển mờ để giải quyết.

Thứ hai, hầu hết các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện có chưa xét hết ảnh hưởng

của các yếu tố trong mạng đến quá trình kiểm soát tắc nghẽn nên các cơ chế chưa thể điều

khiển thích nghi tốt với môi trường mạng. Vì vậy, luận án sử dụng kỹ thuật điều khiển mờ

thích nghi để khắc phục tồn tại này.

Thứ ba, một số cơ chế quản lý hàng đợi tích cực gần đây có sử dụng lập luận mờ để

tham gia vào quản lý hàng đợi nhưng hệ điều khiển mờ của các cơ chế này phụ thuộc rất nhiều

vào chuyên gia và tham số của nó chưa cập nhật để đáp ứng với từng điều kiện mạng khác

nhau. Do đó, luận án áp dụng điều khiển mờ tối ưu bằng cách huấn luyện hệ thống, cho hệ

thống học theo môi trường mạng thay đổi để các cơ chế hoạt động hiệu quả hơn.

3. Mục tiêu luận án

Thứ nhất là nghiên cứu và đánh giá các cơ chế quản lý hàng đợi tích hình hiện có để tìm

ra ưu và khuyết điểm của từng cơ chế, nhằm phân lớp ứng dụng và đánh giá hiệu năng cho

các cơ chế. Đồng thời, sử dụng logic mờ để cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện

có. Kết quả của mục tiêu thứ nhất là thực hiện động lực nghiên cứu đầu tiên và sẽ làm nền

tảng lý thuyết và mô phỏng cho các cải tiến chính của luận án.

Thứ hai là dựa trên kết quả phân tích và đánh giá các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực

trong mục tiêu thứ nhất, kết hợp lý thuyết điều khiển hệ thống động học, điều khiển mờ và kỹ

thuật điều khiển thích nghi để xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi AFC, nhằm cải tiến các

cơ chế quản lý hàng đợi tích cực. Kết quả của mục tiêu này là giải quyết vấn đề tồn tại trong

Page 5: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

3

động lực nghiên cứu thứ hai của luận án.

Thứ ba là kết hợp lập luận mờ với mạng nơ-ron để xây dựng hệ thống nơ-ron mờ nhằm cải

tiến tốt hơn cho cơ chế quản lý hàng đợi tích cực đã được cải tiến trong mục tiêu thứ hai, mà

cụ thể là xây dựng bộ điều khiển nơ-ron mờ FNN để nâng cao hiệu năng của các cơ chế đã

được cải tiến từ bộ điều khiển mờ thích nghi AFC. Kết quả của mục tiêu này là thực hiện

động lực nghiên cứu thứ ba của luận

4. Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu trên, phương pháp nghiên cứu trong luận án được kết hợp chặt

chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết với cài đặt mô phỏng kiểm chứng. Phương pháp này dùng các

đối tượng nghiên cứu là các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực điển hình, lý thuyết điều khiển,

các kỹ thuật tính toán mềm và hai phần mềm mô phỏng được các nhà nghiên cứu khoa học

tin dùng là Matlab và NS2 [40].

5. Bố cục luận án

Với các mục tiêu và phương pháp nghiên cứu nêu trên, nội dung của luận án được bố cục

thành ba chương.

Chương 1: Kiểm soát tắc nghẽn trong mạng TCP/IP dựa trên quản lý hàng đợi tích

cực tại nút mạng - Phần đầu chương sẽ trình bày quá trình kiểm soát tắc nghẽn của TCP và

các biến thể của nó trên mạng TCP/IP. Từ đó, làm rõ tầm quan trọng của cơ chế quản lý hàng

đợi tích cực trong vấn đề kiểm soát tắc nghẽn trên mạng TCP/IP. Phần tiếp theo của chương

sẽ cập nhật, phân tích, đánh giá và phân lớp ứng dụng một số cơ chế quản lý hàng đợi tích

cực tiêu biểu, và áp dụng điều khiển mờ để cải tiến các cơ chế này. Qua đó, luận án đưa ra

những vấn đề còn tồn tại trong các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện có và đề xuất ý

tưởng xây dựng mô hình điều khiển mờ thích nghi cho bài toán cải tiến cơ chế quản lý hàng

đợi tích cực tại nút mạng ở phần cuối của chương.

Chương 2: Cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi tích cực dựa trên điều khiển mờ thích

nghi - Phần đầu chương trình bày cơ sở toán học của logic mờ, tiếp theo của chương là phần

khảo sát đánh giá các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực có dùng điều khiển mờ hiện có. Từ đó,

luận án xây dựng mô hình điều khiển mờ thích nghi AFC để khắc phục các hạn chế trong các

đề xuất trước đây. Dựa trên mô hình lý thuyết, luận án triển khai xây dựng và cài đặt mô

phỏng các cơ chế cải tiến FLRED và FLREM. Trong đó, cơ chế FLRED là cải tiến của cơ

chế RED, cơ chế FLREM là cải tiến của cơ chế REM. Phần tiếp theo của chương là phần

đánh giá mô phỏng của các cơ chế đề xuất so với các cơ chế hiện có. Phần cuối của chương

là kết luận ý nghĩa của điều khiển mờ thích nghi AFC trong cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi

tích cực, đồng thời chỉ ra những hạn chế của AFC và đề ra nhu cầu sử dụng mạng nơ-ron để

điều chỉnh các tham số trong bộ điều khiển mờ thích nghi AFC.

Chương 3: Tích hợp lập luận mờ với mạng nơ-ron để nâng cao hiệu năng quản lý

hàng đợi tích cực - Phần đầu của chương trình bày cơ sở toán học của mạng nơ-ron. Từ đó,

luận án xây dựng mô hình mạng nơ-ron mờ FNN bằng cách tích hợp điều khiển mờ với mạng

nơ-ron để cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi tích cực. Trong quá trình huấn luyện mạng, để có

kết quả học tốt, luận án đề xuất sử dụng thuật toán lan truyền ngược cải tiến IBP (Improved

Back Propagation). Dựa trên mô hình lý thuyết, luận án xây dựng các cơ chế cải tiến

FNNRED, FNNREM. Trong đó, cơ chế FNNRED là cải tiến của cơ chế FLRED và cơ chế

FNNREM là cải tiến của cơ chế FLREM. Phần tiếp theo là phần mô phỏng và đánh giá các

cơ chế đề xuất so với các cơ chế dùng điều khiển mờ thích nghi AFC và các cơ chế dùng điều

khiển mờ. Phần cuối của chương khẳng định vai trò điều khiển nơ-ron mờ FNN để nâng cao

hiệu năng quản lý hàng đợi tích cực.

Page 6: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

4

Cuối cùng là phần kết luận, tóm tắt các đề xuất mới của tác giả để thực hiện các mục tiêu

của luận án. Đồng thời, tác giả đưa ra dự kiến các lĩnh vực nghiên cứu và kết quả trong tương

lai.

6. Đóng góp của luận án

Từ các kết quả nghiên cứu về lý thuyết và chứng minh thông qua mô phỏng, luận án đã có

một số đóng góp cụ thể như sau:

Phân lớp ứng dụng cho các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện có, và dùng kỹ thuật

ECN để cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi tích cực, kết quả này đã được công bố trong công

trình [CT1][CT2]. Sử dụng kỹ thuật điều khiển mờ để cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi

tích cực, kết quả được công bố trong các công trình [CT3][CT5][CT6].

Xây dựng mô hình điều khiển mờ thích nghi AFC để cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi

tích cực tại nút mạng, kết quả đã được công bố trong công trình [CT8].

Xây dựng mô hình mạng nơ-ron mờ FNN để nâng cao hiệu năng của các cơ chế quản lý

hàng đợi tích cực tại nút mạng, các kết quả đã được công bố trong công trình [CT4][CT7].

Từ các kết quả đạt được ở trên, luận án cho thấy vai trò của cải tiến cơ chế quản lý hàng

đợi tại nút mạng và tiềm năng của việc áp dụng các kỹ thuật tính toán mềm để giải quyết

những bài toán lớn trong mạng TCP/IP.

CHƯƠNG 1.

KIỂM SOÁT TẮC NGHẼN TRONG MẠNG TCP/IP DỰA TRÊN

QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TẠI NÚT MẠNG

1.1. Kiểm soát tắc nghẽn trong mạng TCP/IP

1.1.1. Mô hình hoạt động của TCP/IP

1.1.1.1. Mô hình truyền thông trong mạng TCP/IP

1.1.1.2. Mô hình toán học của TCP/IP

1.1.2. Tắc nghẽn trong mạng TCP/IP

1.1.2.1. Nguyên nhân tắc nghẽn

1.1.2.2. Nguyên lý kiểm soát tắc nghẽn

1.1.2.3. Kỹ thuật kiểm soát tắc nghẽn

1.1.3. Kiểm soát tắc nghẽn của giao thức TCP

1.1.4. Kiểm soát tắc nghẽn bằng quản lý hàng đợi

1.1.5. Quản lý hàng đợi tích cực

Mục tiêu quan trọng nhất của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực là ngăn ngừa sự tắc nghẽn

trước khi nó thực sự xảy ra, duy trì chiều dài hàng đợi ổn định nhằm giảm bớt sự mất mát các

gói, đạt được một lưu lượng truyền dữ liệu cao và một độ trễ hàng đợi thấp [10][17][18].

1.1.5.1. Kiến trúc nút mạng

1.1.5.2. Kiểm soát tắc nghẽn bằng quản lý hàng đợi tích cực

1.1.5.3. Ưu điểm của quản lý hàng đợi tích cực

Page 7: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

5

1.1.6. Kỹ thuật thông báo tắc nghẽn rõ ràng

Kỹ thuật thông báo tắt nghẽn rõ ràng (ECN: Explicit Congestion Notification) là kỹ thuật

cho phép một nút mạng cung cấp thông tin phản hồi rõ ràng cho máy gửi về tình trạng tắc

nghẽn tại nó.

1.2. Phân tích và đánh giá các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực

1.2.1. Cơ chế quản lý dựa trên chiều dài hàng đợi

Trong các cơ chế quản lý hàng đợi dựa trên chiều dài hàng đợi, hiện tượng tắc nghẽn được

thể hiện dựa trên độ dài tức thời hoặc trung bình của hàng .

1.2.1.1. Cơ chế RED

Năm 1993, Sally Floyd và cộng sự đã đề xuất cơ chế RED [25][42] để phát hiện sớm tắc

nghẽn, RED kiểm soát tắc nghẽn tại nút mạng bằng cách kiểm tra độ dài trung bình hàng đợi

khi các gói tin đến và đưa ra quyết định nhận gói, đánh dấu hoặc loại bỏ gói tin.

1.2.1.2. Cơ chế FRED

Năm 1997, Dong Lin và cộng sự đã đề xuất cơ chế FRED [21] để cải tiến cơ chế RED với

mục đích là làm giảm tác động không công bằng tại hàng đợi RED.

1.2.2. Cơ chế quản lý dựa trên tải nạp

Các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực dựa trên tải nạp dự đoán khả năng sử dụng đường

truyền liên kết, xác định tắc nghẽn và đưa ra cách xử lý. Mục đích của các cơ chế này là điều

tiết gói tin vào nút mạng để ổn định lưu lượng gói tin đến, nhằm duy trì độ ổn định cho mạng.

Các cơ chế tiêu biểu cho nhóm này là: BLUE và SFB.

1.2.2.1. Cơ chế BLUE

Năm 2002, Wu-chang Feng và cộng sự đề xuất cơ chế BLUE [24][73]. Ý tưởng chính của

BLUE là sử dụng một biến xác suất 𝑝𝑚 để đánh dấu các gói tin khi chúng vào hàng đợi. Xác

suất này tăng/giảm một cách tuyến tính tùy thuộc vào tỉ lệ rơi gói tin hay mức độ sử dụng

đường truyền.

1.2.2.2. Cơ chế SFB

Năm 2001, Wu-chang Feng và cộng sự đề xuất cơ chế SFB [72]. SFB chia hàng đợi thành

các thùng tính toán, mỗi thùng duy trì một xác suất đánh dấu gói tin 𝑝𝑚 tương tự BLUE. Các

thùng được tổ chức thành 𝐿 mức, mỗi mức có 𝑁 thùng. Thêm vào đó, SFB sử dụng 𝐿 hàm

băm độc lập, mỗi hàm tương ứng với một mức. Mỗi hàm băm ánh xạ một luồng vào một trong

những thùng trong mức đó

1.2.3. Cơ chế quản lý dựa trên chiều dài hàng đợi và tải nạp

Các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực dựa trên sự kiểm soát chiều dài hàng đợi và lưu

lượng gói tin đến nút mạng, để dự đoán mức độ sử dụng tài nguyên (hàng đợi và băng thông),

nhằm xác định tình trạng tắc nghẽn tại nút mạng. Tiêu biểu cho nhóm này là các cơ chế REM

và GREEN [11][57][71].

1.2.3.1. Cơ chế REM

Năm 2001, Sanjeewa Athuraliya và cộng sự đã đề xuất cơ chế REM [57][75]. Ý tưởng của

REM là ổn định tải đầu vào và năng lực liên kết của hàng đợi, bất kể số lượng người dùng

chia sẻ liên kết.

1.2.3.2. Cơ chế GREEN

Năm 2002, Apu Kapadia và cộng sự đã đề xuất cơ chế GREEN [6][71]. Cơ chế GREEN

Page 8: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

6

áp dụng kiến thức về các hành vi ổn định của các kết nối TCP ở các nút mạng để cho rơi (hoặc

đánh dấu) các gói tin.

1.2.4. Đánh giá hiệu năng và phân lớp ứng dụng các cơ chế AQM

1.2.4.1. Đánh giá hiệu năng cơ chế AQM

Bảng 1.2. Đánh giá hiệu năng cơ chế quản lý hàng đợi tích cực

Cơ chế RED BLUE REM GREEN

Thông lượng Vừa Cao Cao Cao

Tỉ lệ mất gói tin Cao Thấp Vừa Thấp

Không gian bộ đệm Lớn Nhỏ Vừa Nhỏ

1.2.4.2. Phân lớp ứng dụng các cơ chế AQM

Bảng 1.3. Phân lớp ứng dụng cơ chế quản lý hàng đợi tích cực

Cơ chế RED BLUE REM GREEN

Phân

lớp

Dựa vào kích thước hàng đợi

Dựa vào tải nạp

Dựa vào hiệu suất sử dụng

đường truyền

Dựa vào thông tin luồng

Điều

khiển

luồng

Thích nghi

Không

thích

nghi

Mạnh

Yếu

1.3. Tình hình ứng dụng logic mờ trong quản lý hàng đợi tích cực

Mục đích của việc áp dụng logic mờ là nhằm đơn giản hóa việc thiết kế các thuật toán

AQM dựa trên một mức độ sai số cho phép. Việc ứng dụng logic mờ cho các cơ chế quản lý

hàng đợi tích cực cũng được nhiều nhiều nhà khoa học nghiên cứu trong những năm gần đây.

1.3.1. Các cơ chế dùng logic mờ cải tiến RED

1.3.1.1. Cơ chế FEM

Năm 2006, C. Chrysostomou và cộng sự đề xuất cơ chế FEM [12][13]. FEM được xây

dựng bằng cách đưa logic mờ vào cơ chế RED.

1.3.1.2. Cơ chế FCRED

Năm 2007, Jinsheng Sun và cộng sự đề xuất cơ chế FCRED [34]. FCRED sử dụng một bộ

điều khiển mờ để điều chỉnh xác suất rơi tối đa 𝑚𝑎𝑥𝑝 của RED, nhằm tăng khả năng ổn định

chiều dài hàng đợi trung bình trong khoảng chiều dài hàng đợi tham chiếu QT.

1.3.2. Các cơ chế dùng logic mờ cải tiến BLUE

1.3.2.1. Cơ chế FUZZY BLUE

Năm 2005, M. H. Yaghmaee và cộng sự đã đề xuất cơ chế Fuzzy BLUE [47] cải tiến cơ

chế BLUE dựa trên logic mờ. Fuzzy BLUE dùng mức độ mất gói và mức độ sử dụng hàng

Page 9: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

7

đợi làm biến ngôn ngữ đầu vào và xác suất đánh đấu rơi gói tin làm biến ngôn ngữ đầu ra.

1.3.2.2. Cơ chế DEEP BLUE

Năm 2009, S. Masoumzadeh và cộng sự đã đề xuất cơ chế DEEP BLUE [60] nhằm cải tiến

cơ chế BLUE. DEEP BLUE dùng xác suất loại bỏ gói tin và sự kiện các liên kết nhàn rỗi để

kiểm soát tắc nghẽn, làm các biến đầu vào của bộ điều khiển mờ và đầu ra là biến 𝑚𝑎𝑥𝑝.

1.3.3. Các cơ chế dùng logic mờ cải tiến REM

1.3.3.1. Cơ chế FREM

Năm 2010, Y. Xian và cộng sự đề xuất cơ chế FREM [32] [77], được xây dựng trên thuật

toán REM và bộ điều khiển logic mờ để đánh dấu và thả các gói tự động, giữ cho kích thước

hàng đợi ở cấp độ xung quanh giá trị tham chiếu và ngăn chặn tràn hàng đợi.

1.3.3.2. Cơ chế FUZREM

Năm 2008, Xu Changbiao và cộng sự đã đề xuất cơ chế FUZREM [74] đã cải thiện hiệu

năng của cơ chế REM dựa trên lập luận mở. FUZREM sử dụng hệ mờ Mamdani với các hàm

thuộc dạng tam giác, có 7 miền giá trị cho các biến đầu vào và đầu ra, cho nên hệ luật mờ của

nó có 49 luật.

1.3.4. Cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi dùng điều khiển mờ

Phần dưới đây giới thiệu cải tiến các cơ chế BLUE và SFB bằng điều khiển mờ. Các cơ

chế RED và REM cũng được cải tiến bằng điều khiển mờ, rồi được nâng cao hiệu năng thông

qua điều khiển mờ thích nghi và điều khiển mờ tối ưu sẽ được giới thiệu trong các chương

sau của luận án.

1.3.4.1. Cải tiến cơ chế BLUE

Chúng tôi xây dựng cơ chế FLBLUE [CT5] từ việc cải tiến cơ chế BLUE bằng logic mờ.

Bộ điều khiển mờ của FLBLUE dùng hệ mờ Mamdani với hàm thuộc hình tam giác/hình

thang, có hai ngõ vào 𝐵𝑒(𝑘𝑇) và 𝐵𝑒(𝑘𝑇 − 𝑇) là độ sai lệch của thông lượng hiện thời so với

thông lượng mục tiêu ở ngõ ra của nút cổ chai tại hai thời điểm lấy mẫu liên tiếp.

1.3.4.2. Cải tiến cơ chế SFB

Chúng tôi đã xây dựng cơ chế SFSB [CT3] từ việc cải tiến cơ chế SFB bằng cách sử dụng

bộ điều khiển mờ, với hai đầu vào là tỉ lệ mất gói tin và mức độ sử dụng hàng đợi để tính cho

đầu ra là xác suất đánh dấu gói. Hai đại lượng 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡 𝑙𝑜𝑠𝑠 (𝑡) và 𝑞𝑢𝑒𝑢𝑒 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ(𝑡) đại diện

cho hai đầu vào và được mờ hóa bởi ba miền (𝑙𝑜𝑤, 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚, ℎ𝑖𝑔ℎ) có hàm thuộc hình thang.

1.4. Một số tồn tại trong các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực

Nhìn chung, các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện có thường sử dụng các hàm tuyến

tính để tính xác suất loại bỏ/đánh dấu gói tin và được thực hiện theo một công thức cố định

nên chưa đủ mạnh khi lưu lượng mạng lớn và chưa thể nắm bắt được bản chất động học và

phi tuyến của mạng TCP/IP. Yêu cầu này có thể đạt được khi sử dụng phương pháp phi tuyến

cho xác suất loại bỏ/đánh dấu gói theo hướng tiếp cận mềm dẻo nhờ các kỹ thuật tính toán

mềm, như: logic mờ, mạng nơ-ron, tính toán tiến hóa, lập luận xác suất.

Các hệ điều khiển sử dụng lập luận mờ để cung cấp các giải pháp đơn giản và hiệu quả

nhằm kiểm soát các hệ thống biến đổi phi tuyến theo thời gian, bằng cách sử dụng một hệ suy

luận mờ ra quyết định cho xác suất loại bỏ hay đánh dấu gói, mà không yêu cầu nhiều kiến

thức về các thông số động học của hệ thống hay mạng lưới. Hệ điều khiển mờ cho quản lý

hàng đợi tích cực có khả năng làm việc hiệu quả và ổn định để đưa một cách nhanh chóng đối

tượng được kiểm soát vào trạng thái ổn định.

Page 10: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

8

Trong những năm gần đây, các cơ chế AQM dựa trên logic mờ đã được đề xuất có quá

trình thiết kế đơn giản hơn hơn so với các giải thuật AQM truyền thống và cho một số kết quả

tốt hơn trong việc duy trì ổn định hàng đợi. Tuy nhiên, việc thiết kế các bộ điều khiển mờ vẫn

còn thiếu các thành phần thích nghi và phụ thuộc rất nhiều vào kiến thức của các chuyên gia.

Do vậy, cần thiết phải có những bộ điều khiển mờ thích nghi và có khả năng tự học từ các kết

quả đo đạc đầu vào/ra thực tế của hệ thống để có các tham số tốt cho bộ điều khiển mờ, nhằm

tăng hiệu năng của các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực.

1.5. Kết luận chương

Chương này đã trình bày cơ chế kiểm soát tắc nghẽn trong mạng TCP/IP và tầm quan trọng

của quản lý hàng đợi tích cực tại nút mạng trong quá trình kiểm soát tắc nghẽn. Từ đó, đã

phân tích hiện trạng nghiên cứu của các cơ chế quản lý hàng đợi truyền thống. Dựa trên kết

quả nghiên cứu lý thuyết và phân tích các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện có, luận án

đã đánh giá hiệu năng và phân lớp ứng dụng cho các cơ chế. Hầu hết các phương pháp quản

lý hàng đợi tích cực không thể đáp ứng hết được các mục tiêu đề ra, đặc biệt là mục tiêu đáp

ứng được với sự thay đổi động học và phi tuyến của mạng TCP/IP.

Phần cuối của chương, luận án đã đưa ra một số cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích

cực dựa trên điều khiển mờ. Tuy nhiên, các cải tiến này đều dựa trên hệ mờ Mamdani với

hàm thuộc hình tam giác hoặc hình thang để đơn giản trong quá trình tính toán, nên quá trình

điều khiển chưa được mịn và độ thích nghi với môi trường mạng chưa cao. Vì vậy, cần tiếp

tục cải tiến các bộ điều khiển mờ này để nâng cao hiệu năng cho các cơ chế, bằng cách thay

thế hệ mờ Mamdani bởi hệ mờ tốt hơn và bổ sung vào nó các thành phần thích nghi để thích

ứng tốt hơn với điều kiện thực tế của mạng. Đây là các vấn đề cần được nghiên cứu và phát

triển trong các chương sau.

CHƯƠNG 2.

CẢI TIẾN CƠ CHẾ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC

DỰA TRÊN ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI

2.1. Cơ sở toán học của logic mờ

2.1.1. Tập mờ

Định nghĩa 2.1 [30]. Cho một tập vũ trụ 𝑼. Tập 𝐴 được xác định bởi đẳng thức:

( ) / : , ( ) [0,1]A AA u u u U u thì 𝐴 được gọi là tập mờ trên tập 𝑼.

Biến 𝑢 lấy giá trị trong 𝑼 được gọi là biến cơ sở và vì vậy tập 𝑼 còn được gọi là tập tham

chiếu hay miền cơ sở.

Hàm 𝜇𝐴: 𝑈 ⟶ [0,1] được gọi là hàm thuộc (MF: Membership Function) và giá trị 𝜇𝐴(𝑢)

tại 𝑢 được gọi là độ thuộc của phần tử 𝑢 thuộc về tập mờ 𝐴.

2.1.2. Các dạng hàm thuộc của tập mờ

Các hàm thuộc được xây dựng từ những hàm cơ bản như: hàm bậc nhất, hình thang,

hình tam giác, hàm phân bố Gauss và hàm chuông.

2.1.3. Các thông số đặc trưng cho tập mờ

Các thông số đặc trưng cho tập mờ là độ cao (𝐻), miền xác định (𝑆) miền tin cậy (𝑇)

2.1.4. Các phép toán trên tập mờ

T-norm và S-norm

Page 11: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

9

Định nghĩa 2.2 [30]. Một hàm 2-biến T: [0,1] [0,1] [0,1] được gọi là phép T-norm

(chuẩn T) nếu nó thỏa các tính chất sau với 𝑎, 𝑎’, 𝑏, 𝑐 [0,1]:

Định nghĩa 2.3 [30]. Một hàm 2-biến S: [0,1] [0,1] [0,1] được gọi là phép S-norm

(chuẩn S), nếu nó thỏa các tính chất sau với 𝑎, 𝑎’, 𝑏, 𝑐 [0,1]:

Phép giao của hai tập mờ

Giao của hai tập mờ 𝐴 và 𝐵 có cùng cơ sở 𝑋 là một tập mờ 𝐴 ∩ 𝐵 cũng xác định trên

cơ sở 𝑋 được xác định bởi ánh xạ nhị phân 𝑇, với hàm thuộc như sau:

𝜇𝐴∩𝐵 = 𝑇(𝜇𝐴(𝑥), 𝜇𝐵(𝑥)) (2.14)

Phép hợp của hai tập mờ

Hợp của hai tập mờ 𝐴 và 𝐵 có cùng cơ sở 𝑋 là một tập mờ A ∪ B cũng xác định trên cơ

sở 𝑋 được xác định bởi ánh xạ nhị phân 𝑆, với hàm thuộc như sau:

𝜇𝐴∪𝐵 = 𝑆(𝜇𝐴(𝑥), 𝜇𝐵(𝑥)) (2.19)

Phép bù của một tập mờ

Bù của tập mờ 𝐴 có cơ sở 𝑋 và hàm thuộc 𝜇𝐴(𝑥) là một tập mờ �̅� xác định trên cùng cơ

sở 𝑋 với hàm thuộc:

𝜇�̅�(𝑥) = 1 − 𝜇𝐴(𝑥) (2.24)

2.1.5. Luật hợp thành mờ

Biến ngôn ngữ

Định nghĩa 2.4 [30]. Biến ngôn ngữ là một bộ năm(𝑥, 𝑇(𝑥), 𝑋, 𝑅, 𝑀), trong đó 𝑥 là tên

biến, 𝑇(𝑥) là tập các giá trị ngôn ngữ của biến 𝑥, 𝑋 là không gian nền hay còn gọi là miền

cơ sở của biến 𝑥, 𝑅 là một quy tắc sinh ra các giá trị ngôn ngữ trong 𝑇(𝑥), 𝑀 là quy tắc gán

ngữ nghĩa biểu thị bằng tập mờ trên 𝑋 cho các từ ngôn ngữ trong 𝑇(𝑥).

Mệnh đề hợp thành mờ

Luật hợp thành mờ

2.1.6. Giải mờ

Phương pháp cực đại

Phương pháp trọng tâm

2.1.7. Điều khiển mờ

2.1.7.1. Mô hình điều khiển mờ

Mờ

a

(Fu

zzy

fier)

Động cơ suy diễn

(Inference Engine)

Giả

i m

(Defu

zzy

fier)

Luật cơ sở

(Rule Base)

y

x1

x2

xn

Hình 2.4. Mô hình bộ điều khiển mờ MISO

Định lý 2.1 (Định lý vạn năng) [36]: Cho hàm nhiều biến 𝑦 = 𝑓(𝑥) với 𝑥 = (𝑥1, … , 𝑥𝑛)𝑇,

Page 12: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

10

liên tục trong miền compact. Khi đó, với mọi 𝜀 > 0 tùy ý cho trước, luôn tồn tại hệ mờ 𝑔(𝑥)

như Hình 2.4 sao cho |𝑓(𝑥) − 𝑔(𝑥)| < 𝜀.

Định lý trên là cơ sở trong việc cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện có bằng

mô hình bộ điều khiển mờ. Trong kỹ thuật điều khiển, cấu trúc bộ điều khiển mờ MISO như

trên được sử dụng rộng rãi với các hệ mờ Mamdani và hệ mờ Sugeno.

2.1.7.2. Hệ mờ Mamdani

𝑅𝑗: 𝐼𝐹 (𝑥1 is A1𝑗

)AND … AND (𝑥𝑚 is A𝑚𝑗

) 𝑇𝐻𝐸𝑁 (𝑦1 is 𝐵1𝑗), … , (𝑦𝑛 is B𝑛

𝑗) (2.31)

2.1.7.3. Hệ mờ Sugeno

𝑅𝑗: 𝐼𝐹 (𝑥1 𝑖𝑠 𝐴1𝑗) 𝐴𝑁𝐷 … 𝐴𝑁𝐷 (𝑥𝑛 𝑖𝑠 𝐴𝑛

𝑗) 𝑇𝐻𝐸𝑁 𝑦 = 𝑓𝑗 = 𝑝0

𝑗+ ∑ 𝑝𝑖

𝑗𝑥𝑖

𝑛𝑖=1 (2.32)

2.2. Phân tích các cơ chế AQM sử dụng logic mờ

2.2.1. Phân tích cơ chế FEM

Năm 2006, C. Chrysostomou và cộng sự đã công bố cơ chế quản lý hàng đợi tích cực FEM

[14][15] bằng cách cải tiến cơ chế RED dựa trên lập luận mờ.

2.2.2. Phân tích cơ chế FUZREM

Năm 2008, Xu Changbiao và cộng sự đã đề xuất cơ chế quản lý hàng đợi tích cực FUZREM

[74] dựa trên sự cải tiến cơ chế REM bằng công cụ điều khiển mờ.

2.2.3. Một số vấn đề còn tồn tại của cơ chế AQM dùng điều khiển mờ

Thứ nhất, việc sử dụng hàm thuộc dạng tam giác để tính toán đơn giản nhưng điều này

làm cho việc điều khiển không được trơn [56][66]. Để khắc phục nhược điểm này, luận án

đưa ra giải pháp dùng hàm thuộc dạng hình chuông để biểu diễn giá trị các biến mờ ở đầu vào

và đầu ra của bộ điều khiển mờ.

Thứ hai, giá trị biến xác suất đánh dấu gói tin ở đầu ra của bộ điều khiển mờ là sự thể

hiện yếu tố định tính của con người khi tham gia điều khiển hệ thống, giá trị này đã được một

số cơ chế chuẩn hóa trong đoạn [0,1]. Tuy nhiên, trong FEM và FUZREM thì hệ số này đều

được điều chỉnh tĩnh, cần có cơ chế tự điều chỉnh hệ số ở đầu ra để tinh chỉnh giá trị xác suất

đánh dấu gói tin theo định lượng của hệ thống, sao cho có giá trị xác suất phù hợp với tình

trạng của mạng.

Thứ ba, chiều dài hàng đợi tham chiếu (𝑞𝑟𝑒𝑓) được sử dụng trong các cơ chế được thiết

lập giá trị cố định, thông thường thì ngưỡng này là 80% năng lực của hệ thống (như kích

thước vùng đệm). Tuy nhiên, cần có chiến lược xây dựng mô hình mẫu để thay đổi giá trị

tham chiếu này một cách tự động cho phù hợp với trạng thái của mạng. Chẳng hạn, khi đường

truyền rỗi thì đặt giá trị tham chiếu thấp để độ trễ tại hàng đợi nhỏ, ngược lại thì đặt giá trị

tham chiếu cao để hạn chế mất gói.

Thứ tư, tham số của các bộ điều khiển mờ (số hàm thuộc, giá trị các hàm thuộc, số luật,

trọng số các luật) bị cố định từ khi thiết kế và không tự thay đổi được để phù hợp với tình

trạng mạng.

Thứ năm, nguyên nhân chính làm cho các cơ chế AQM sử dụng điều khiển mờ có hiệu

quả hoạt động chưa cao là do các cơ chế này dùng hệ mờ Mamdani cho bộ điều khiển mờ

truyền thống của mình. Theo đánh giá của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự

động thì hệ mờ Mamdani hoạt động không hiệu quả bằng hệ mờ Sugeno, đặc biệt là trong các

hệ thống điều khiển MISO như trên [5][8][66].

2.3. Xây dựng mô hình điều khiển mờ thích nghi AFC cải tiến AQM

Dựa trên những tồn tại của các cơ chế ứng dụng logic mờ vào quản lý hàng đợi tích cực

Page 13: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

11

trước đây đã được trình bày ở trên, luận án đề xuất mô hình quản lý hàng đợi tích cực dựa

trên điều khiển mờ thích nghi AFC.

2.3.1. Đề xuất bộ điều khiển mờ thích nghi AFC cải tiến AQM

2.3.1.1. Mô hình điều khiển mờ thích nghi AFC

p(t)Điều khiển mờ TCP/IP

Cơ cấu

thích nghi

Mô hình

mẫu Gm

ym

+ e

-

e(t) yx

Trễ T

e(t-T)

K1

K2

Điều khiển mờ thích nghi AFC

KF G+

-

pk(t)

Hình 2.9. Mô hình điều khiển mờ thích nghi AFC

2.3.1.2. Hoạt động của bộ điều khiển mờ thích nghi AFC

Bước 1: Dựa trên sự thay đổi của ngõ vào 𝑥 theo số chu kỳ mà Mô hình mẫu 𝐺𝑚 xác định

ngõ ra tham chiếu 𝑦𝑚 (chiều dài hàng đợi tham chiếu, băng thông đường truyền mong muốn

hoặc kết hợp cả hai yếu tố này) cho mạng. Giá trị 𝑦𝑚 được thiết lập phù hợp năng lực tài

nguyên của hệ thống và trạng thái của mạng.

Bước 2: Hệ thống điều khiển vòng kín, các giá trị ngõ vào 𝑒(𝑡), 𝑒(𝑡 − 𝑇) là độ sai lệch của

ngõ ra 𝑦 so với giá trị tham chiếu 𝑦𝑚 sẽ được chuẩn hóa nhờ vào các hệ số 𝐾1 và 𝐾2 trước khi

đi vào bộ điều khiển mờ.

Bước 3: Sau khi các số liệu ở ngõ vào đã được chuẩn hóa, dữ liệu sẽ được đưa đến bộ điều

khiển mờ. Tại đây, hệ thống điều khiển mờ với các thành phần: bộ mờ hóa, hệ luật, động cơ

suy diễn và bộ giải mờ như trình bày trong mục 2.3.3.4 sẽ hoạt động và tính giá trị xác suất

đánh đấu gói 𝑝(𝑡) .

Bước 4: Dựa trên độ sai lệch e cho phép giữa giá trị tham chiếu 𝑦𝑚 với giá trị đầu ra 𝑦 và

độ sai lệch thực tế 𝑒(𝑡) của hệ thống mà bộ Cơ cấu thích nghi sẽ điều chỉnh hệ số 𝐾 ở đầu ra

của bộ điều khiển mờ thích nghi AFC cho thích hợp điều kiện mạng thay đổi và được xác

định 𝑝𝑘(𝑡) = 𝐾. 𝑝(𝑡).

2.3.2. Xác định các biến đầu vào và đầu ra cho AFC

Luận án chọn giá trị lỗi 𝑒(𝑡) và tốc độ thay đổi của lỗi dựa thêm vào giá trị lỗi tại thời

điểm trước 𝑒(𝑡 − 𝑇) làm đầu vào trên bộ điều khiển mờ.

2.3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ cho AFC

Bộ điều khiển mờ cho AFC được xây dựng dựa trên hệ mờ Sugeno có các thành phần như

sau.

2.3.3.1. Hệ số đầu vào

Page 14: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

12

1/ ;; 1,2

1/ ( ) ;

m m

i

max m m

y y yK i

y y y y

(2.33)

2.3.3.2. Mờ hóa đầu vào

2.3.3.3. Hệ luật cơ sở suy diễn mờ

Các luật trong bộ điều khiển mờ được xây dựng dựa trên công thức (2.32) cho hệ mờ

Sugeno.

2.3.3.4. Giải mờ đầu ra

(a) ( )

( )

c

Yk

c

Y

y y dy

py dy

(b) 1

1

( )

( )

m

j c j

j

k m

c j

j

y y

p

y

(2.34)

2.3.4. Xây dựng mô hình mẫu cho AFC

𝑦𝑚(𝑘𝑇) = 𝑦𝑚(𝑘𝑇 − 1) + 𝛼y𝑚𝑎𝑥 (2.35)

2.3.5. Xây dựng cơ chế thích nghi cho AFC

𝐾(𝑡 + 1) = 𝐾(𝑡) − 𝜀(𝑦𝑚 − 𝑦(𝑡)) (2.38)

2.4. Cải tiến cơ chế RED bằng điều khiển mờ thích nghi AFC

2.4.1. Mờ hóa biến đầu vào của FLRED

Sử dụng mô hình cải tiến tổng quát như trong Hình 2.9, với 𝑇 là chu kỳ lấy mẫu. Với

𝑄𝑒(𝑡) = 𝑇𝑄𝐿 − 𝑞(𝑡), 𝑄𝑒(𝑡 − 𝑇) = 𝑇𝑄𝐿 − 𝑞(𝑡 − 𝑇) là sai lệch của chiều dài hàng đợi tức

thời so với hàng đợi tham chiếu (𝑇𝑄𝐿) tại chu kỳ lấy mẫu và ở chu kỳ lấy mẫu trước đó.

Hình 2.10. Hàm thuộc cho biến 𝑄𝑒(𝑡)

Hình 2.11. Hàm thuộc cho biến 𝑄𝑒(𝑡 − 𝑇)

2.4.2. Mờ hóa biến đầu ra của FLRED

Biến ngôn ngữ cho đầu ra trong bộ điều khiển mờ của cơ chế FLRED là xác suất đánh dấu

gói tin 𝑝(𝑡).

2.4.3. Xây dựng luật cơ sở suy diễn mờ cho FLRED

Nếu 𝑄𝑒(𝑡) = 𝜇(𝑒(𝑡))𝑖 và 𝑄𝑒(𝑡) = 𝜇(𝑒(𝑡 − 𝑇))𝑗 Thì 𝑝(𝑡) = 𝜇(𝑝(𝑡))𝑘

trong đó, 𝑖, 𝑗 = −3,3̅̅ ̅̅ ̅̅ , và 𝑘 = 𝑓(𝑖, 𝑗) = 𝑖 − 𝑗 + 1, nếu 𝑖 − 𝑗 + 1 > 3 thì 𝑓(𝑖, 𝑗) = 3 và nếu

𝑖 − 𝑗 + 1 < −3 thì 𝑓(𝑖, 𝑗) = −3. Biểu thức (𝑖 − 𝑗) thể hiện biến thiên của mức độ sử dụng

hàng đợi ở hai thời điểm (𝑡) và (𝑡 − 𝑇).

Căn cứ vào chỉ số các miền giá trị của các biến ngôn ngữ cho đầu vào và đầu ra trong Bảng

2.7 để xây dựng hệ thống luật như Bảng 2.8.

Page 15: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

13

Bảng 2.8. Hệ thống luật mờ của FLRED

𝑝(𝑡) 𝑄𝑒(𝑡 − 𝑇)

NB NM NS ZE PS PM PB

𝑄𝑒(𝑡)

NB VS S B VB H H H

NM T VS S B VB H H

NS Z T VS S B VB H

ZE Z Z T VS S B VB

PS Z Z Z T VS S B

PM Z Z Z Z T VS S

PB Z Z Z Z Z T VS

2.4.4. Mặt cong suy diễn của FLRED

Hình 2.12. Mặt cong suy diễn của cơ chế FLRED

2.4.5. Minh họa tính toán đầu ra hệ thống mờ FLRED

2.5. Cải tiến cơ chế REM bằng điều khiển mờ thích nghi AFC

2.5.1. Mờ hóa biến đầu vào của FLREM

Mục tiêu của cơ chế REM là đạt được hiệu suất sử dụng đường truyền cao, tổn thất gói tin

thấp, và trễ hàng đợi nhỏ. REM sử dụng một đơn vị đo lường tắc nghẽn tắc nghẽn gọi là “giá”

được tính từ các tham số hoạt động của hệ thống.

𝑃𝑟(𝑡) = 𝑃𝑟(𝑡 − 𝑇) + 𝛾(𝑇𝑄𝐿 − 𝛼(𝑞(𝑡)) + (𝑇𝐵𝑊 − 𝑥(𝑡))) (2.39)

Do vậy, ta sử dụng hai đầu vào, một cho mẫu ở thời điểm hiện tại 𝑃𝑟(t) và một cho mẫu

ở thời điểm chu kỳ trước đó 𝑃𝑟(t − T). Các giá trị của 𝑃𝑟(t) và 𝑃𝑟(t − T) của được chuẩn

hóa trong đoạn [-1,1] nhờ vào các hệ số đầu vào trong công thức (2.33).

Hình 2.14. Hàm thuộc biến đầu vào 𝑃𝑟(𝑡)

Hình 2.15. Hàm thuộc biến đầu vào Pr(t-T)

Page 16: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

14

2.5.2. Mờ hóa biến đầu ra của FLREM

Các giá trị ngôn ngữ ở biến đầu ra của bộ điều khiển mờ đại diện cho 9 mức xác suất loại

bỏ gói, được xác định và thể hiện trong Bảng 2.12 cụ thể như sau:

2.5.3. Xây dựng luật suy diễn cho FLREM

Hệ luật mờ của FLREM được xây dựng theo dạng tổng quát: Nếu 𝑒(𝑡) = 𝜇(𝑒(𝑡))𝑖 và

𝑒(𝑡 − 𝑇) = 𝜇(𝑒(𝑡 − 𝑇))𝑗 thì 𝑝(𝑡) = 𝜇(𝑝(𝑡))𝑘 . Trong đó, 𝑖, 𝑗 = −4,4̅̅ ̅̅ ̅̅ , 𝑘 = 𝑓(𝑖, 𝑗) = 𝑖 − 𝑗+1,

nếu 1 + 𝑖 − 𝑗 > 4 thì 𝑓(𝑖, 𝑗) = 4, nếu 1 + 𝑖 − 𝑗 < −4 thì 𝑓(𝑖, 𝑗) = −4.

Bảng 2.14. Hệ thống luật mờ của FLREM

𝑝(𝑡) 𝑃𝑟(𝑡 − 𝑇)

NH NB NM NS ZE PS PM PB PH

𝑃𝑟(𝑡)

NH MS S B MB VB H H H H

NB VS MS S B MB VB H H H

NM T VS MS S B MB VB H H

NS Z T VS MS S B MB VB H

ZE Z Z T VS MS S B MB VB

PS Z Z Z T VS MS S B MB

PM Z Z Z Z T VS MS S B

PB Z Z Z Z Z T VS MS S

PH Z Z Z Z Z Z T VS MS

2.5.4. Mặt cong suy diễn của FLREM

Hình 2.16. Mặt cong suy diễn của cơ chế FLREM

2.6. Mô phỏng đánh giá hiệu quả của cơ chế FLRED và FLREM

Mô phỏng các cơ chế AQM được thực hiện trên phần mềm NS2 [40], đây là phần mềm

được sử dụng rộng rãi nhất, được cộng đồng nghiên cứu tin cậy và công nhận [46][55][58].

2.6.1. Cài đặt mô phỏng các cơ chế FLRED và FLREM

2.6.1.1. Cài đặt chương trình cho các cơ chế FLRED và FLREM

Chương trình cho FLRED và FLREM gồm các tập tin FLRED.h, FLRED.cc, FLREM.h

và FLREM.cc; trình bày trong Phụ lục

2.6.1.2. Qui trình mô phỏng và đánh giá các cơ chế AQM

Page 17: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

15

2.6.1.3. Các tiêu chí đánh giá hiệu năng các cơ chế AQM

2.6.2. Đánh giá độ ổn định các cơ chế FLRED và FLREM

2.6.2.1. Mô hình mạng đơn máy nhận

Bộ định tuyến A Bộ định tuyến B

(C1,d1)

(C2,d2) (C3,d3)

Nguồn

Đích

N dòng

Hình 2.17. Mô hình mạng mô phỏng đơn máy nhận

2.6.2.2. Kiểm soát hàng đợi của các cơ chế FLRED và FLREM

Các kết quả mô phỏng của cơ chế dựa trên chiều dài hàng đợi là RED, FEM và FLRED

được thể hiện trong Hình 2.18 và Hình 2.19, cho thấy các cơ chế cải tiến của RED có sử dụng

điều khiển mờ như FEM và FLRED luôn có khả năng kiểm soát hàng đợi tương đối ổn định

hơn cơ chế RED truyền thống. Điều này có được do bộ điều khiển mờ của các cơ chế này

kiểm soát hàng đợi dựa theo hàng đợi tham chiếu, nghĩa là giữ hàng đợi tức thời dao động

quanh hàng đợi tham chiếu (200 gói).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)a) Sử dụng hàng đợi của cơ chế RED

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

RED

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)b) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FLRED

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

FLRED

Hình 2.18. Kiểm soát hàng đợi của RED và FLRED

Ngoài ra, đồ thị Hình 2.19 cho thầy cơ chế FLRED có biên độ dao động (nhỏ hơn 70 gói)

nhỏ hơn so với cơ chế FEM (lớn hơn 100 gói tin).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)b) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FLRED

Chiề

u dà

i hàn

g đợ

i (gó

i tin

)

FLRED

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Chiề

u dà

i hàn

g đợ

i (gó

i tin

)

FEM

Thời gian (giây)a) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FEM

Hình 2.19. Kiểm soát hàng đợi của FEM và FLRED

Page 18: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

16

Tương tự, khi mô phỏng cơ chế REM và các cơ chế cải tiến REM có dùng điều khiển mờ

(FUZREM, FLREM), kết quả trong Hình 2.20 và Hình 2.21 cho thấy cơ chế REM kiểm soát

hàng đợi chưa được ổn định, biên độ dao động chiều dài hàng đợi của REM lớn hơn 150 gói.

Trái lại, các cơ chế FUZREM và FLREM giữ được chiều dài hàng đợi tức thời tại nút mạng

tương đối ổn định, biên độ dao động chiều dài hàng đợi của hai cơ chế này nhỏ hơn 100 gói.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)a) Sử dụng hàng đợi của cơ chế REM

Ch

iều

i h

àn

g đ

ợi

(gó

i ti

n)

REM

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)b) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FLREM

Ch

iều

i h

àn

g đ

ợi

(gó

i ti

n)

FLREM

Hình 2.20. Kiểm soát hàng đợi của REM và FLREM

Đồ thị Hình 2.21 thể hiện so sánh sự kiểm soát hàng đợi của cơ chế FUZREM và FLREM.

Do FLREM dùng hệ mờ Sugeno có 9 hàm thuộc hình chuông khi mờ hóa các giá trị đầu vào

nên độ chính xác được tăng lên nên biên độ dao động hàng đợi của FLREM nhỏ hơn 50 gói.

Điều này làm cho FLREM có độ ổn định hàng đợi tốt hơn so với FUZREM có biên độ dao

động lớn hơn 70 gói

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

FUZREM

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)b) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FLREM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

FLREM

Thời gian (giây)a) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FUZREM

Hình 2.21. Kiểm soát hàng đợi của FUZREM và FLREM

Từ các kết quả mô phỏng và phân tích trên, cho thấy hiệu quả kiểm soát chiều dài hàng đợi

của các cơ chế tốt dần khi sử dụng bộ điều khiển mờ truyền thống và bộ điều khiển mờ thích

nghi để cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực.

2.6.2.3. Khả năng đáp ứng của các cơ chế FLRED và FLREM

Khả năng đáp ứng của các cơ chế quản lý hàng đợi dựa trên kích thước hàng đợi được thể

hiện ở Hình 2.22 và Hình 2.23. Một lần nữa cho thấy mức độ ổn định chiều dài hàng đợi của

các cơ chế có sử dụng logic mờ so với các cơ chế không sử dụng logic mờ. Cơ chế RED cần

20 giây để ổn định hàng đợi khi giảm số luồng đi một nữa ở giây thứ 40, con số này của FEM

là 10 giây và FLRED là 6 giây. Trong trường hợp tăng tải cho mạng, bằng cách tăng số luồng

kết nối lên 100 ở giây 70, cơ chế RED cần hơn 10 giây để ổn định, FEM cần 5 giây và FLRED

cần 3 giây.

Page 19: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

17

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)a) Khả năng đáp ứng của cơ chế RED

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

RED

Thời gian (giây)b) Khả năng đáp ứng của cơ chế FLRED

Chi

ều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

0 10 20 30 40 500 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FLRED

Hình 2.22. Khả năng đáp ứng của RED và FLRED

Đồ thị Hình 2.23 cho thấy khả năng đáp ứng nhanh chóng của các cơ chế FEM và FLRED

khi môi trường mạng biến động theo thời gian. Theo đó, cơ chế FLRED có thời gian đáp ứng

nhỏ hơn so với cơ chế FEM khi giảm tải cũng như khi tăng tải. Đồng thời, biên độ dao động

của cơ chế FLRED thấp hơn so với cơ chế FEM, trong tất cả các trường hợp biến đổi tải. Điều

này đã thể hiện hiệu quả khi sử dụng hệ mờ Sugeno với hàm thuộc hình chuông và thành phần

thích nghi trong cơ chế FLRED.

Thời gian (giây)a) Khả năng đáp ứng của cơ chế FEM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

Thời gian (giây)b) Khả năng đáp ứng của cơ chế FLRED

Chi

ều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

0 10 20 30 40 500 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FLRED

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FEM

Hình 2.23. Khả năng đáp ứng của FEM và FLRED

Tương tự, Hình 2.24 và Hình 2.25 thể hiện khả năng đáp ứng của các cơ chế quản lý hàng

đợi dựa trên kích thước hàng đợi và tải nạp.

100

Thời gian (giây)a) Khả năng đáp ứng của cơ chế REM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FLREM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

Thời gian (giây)b) Khả năng đáp ứng của cơ chế FLREM

0 100 20 30 40 50 60 70 80 900

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

REM

Hình 2.24. Khả năng đáp ứng của REM và FLREM

Mặt khác, đồ thị Hình 2.25 cho thấy, khi giảm hoặc tăng số luồng kết nối vào mạng, thời

gian phục hồi để về trạng thái ổn định theo chiều dài hàng đợi tham chiếu của cơ chế FLREM

nhỏ hơn cơ chế FUZREM, khi giảm tải cũng như khi tăng tải. Đồng thời, trong các trường

hợp thay đổi số luồng kết nối, biên độ dao động của FLREM (dưới 100 gói) thấp hơn so với

FUZREM (trên 100 gói).

Page 20: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

18

Thời gian (giây)a) Khả năng đáp ứng của cơ chế FUZREM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FLREM

Thời gian (giây)b) Khả năng đáp ứng của cơ chế FLREM

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FUZREM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

Hình 2.25. Khả năng đáp ứng của FUZREM và FLREM

Dựa vào kết quả cài đặt mô phỏng và hình ảnh các đồ thị cho thấy, khả năng đáp ứng của

các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực nhanh dần, khi tại nút mạng lần lượt cài đặt các cơ chế

quản lý hàng đợi có dùng bộ điều khiển mờ truyền thống và bộ điều khiển mờ thích nghi.

2.6.3. Đánh giá hiệu năng các cơ chế FLRED và FLREM

2.6.3.1. Mô hình mạng đa máy nhận

Bộ định

tuyến A

(a Mbps, g ms)

Nguồn

N dòng

Bộ định

tuyến B Đích

M dòng

Các máy gửiCác máy nhận

(a Mbps, g ms)

(a Mbps, g ms)

Hình 2.26. Mô hình mạng mô phỏng đa máy nhận

2.6.3.2. Đánh giá tỉ lệ mất gói tin của FLRED và FLREM

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Chiều dài hàng đợi (gói tin)

a) Mức độ mất gói tin theo chiều dài hàng đợi

Tỉ lệ

mất

gói

tin

(%)

FEM

REM

RED

FLRED

FLREM

FUZREM

0 10 50 100 150 200 250 3000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Số luồng kết nối

b) Mức độ mất gói tin khi tải nạp thay đổi

Tỉ lệ

mất

gói

tin

(%)

FEM

REM

RED

FLREM

FLRED

FUZREM

Hình 2.27. Tỉ lệ mất gói tin của các cơ chế AQM

Kết quả này phù hợp với nguyên lý hoạt động của các bộ điều khiển mờ truyền thống và

điều khiển mờ thích nghi. Với điều khiển mờ thích nghi, ngoài việc sử dụng hệ mờ Sugeno

còn có cơ chế thích nghi để điều chỉnh xác suất đánh dấu gói tin phù hợp sự thay đổi của

mạng.

Page 21: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

19

2.6.3.3. Đánh giá mức độ sử dụng đường truyền của FLRED và FLREM

Dựa vào đồ thị, nhận thấy các cơ chế cải tiến (FEM, FUZREM, FLRED và FLREM) có tỉ

lệ mất gói thấp hơn so với các cơ chế truyền thống (RED và REM).

0 10 50 100 150 200 250 30082

84

86

88

90

92

94

96

98

100

Số luồng kết nối

b) Mức sử dụng đường truyền theo số luồng kết nối

c đ

ộ s

ử đ

ụng

đư

ờn

g tr

uyề

n (%

)

FEM

REM

RED

FLREM

FLRED

FUZREM

Chiều dài hàng đợi (gói tin)

a) Mưc sử dụng đường truyền theo chiều dài hàng đợi

Mứ

c đ

ộ s

ử d

ụng

đư

ờng

tru

yền

(%)

100 200 300 400 500 600 700 800 900 100080

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

FEM

REM

RED

FLREM

FLRED

FUZREM

Hình 2.28. Mức độ sử dụng đường truyền của các cơ chế AQM

Trong tất cả các trường hợp, cơ chế RED luôn có mức độ sử dụng đường truyền thấp nhất

và cơ chế FLREM luôn có mức độ sử dụng đường truyền cao nhất. Kết quả này có được là

do cơ chế FLREM được hội tụ tiêu chí khi xử lý các gói tin đến nút mạng. Ngoài sự kế thừa

cơ chế REM khi xét ảnh hưởng của chiều dài hàng đợi và lưu lượng gói tin, cơ chế FLREM

còn được cải tiến bằng bộ điều khiển mờ thích nghi, trong khi RED chỉ sử dụng yếu tố chiều

dài hàng đợi để tính xác suất đánh dấu gói.

2.7. Kết luận chương

Việc điều khiển tránh tắc nghẽn bằng các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực tại các bộ định

tuyến là điều rất cần thiết. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã đưa điều khiển mờ

vào các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực để các cơ chế này hoạt động hiệu quả hơn. Tuy

nhiên, do các cải tiến sử dụng hệ mờ Mamdani với hàm thuộc hình tam giác để đơn giản trong

tính toán nhưng việc điều khiển không trơn và các hệ mờ này bị cố định từ khi thiết kế nên

chưa thích nghi cao với hệ thống động học, phi tuyến và phức tạp của mạng TCP/IP. Để khắc

phục tồn tại này, luận án đã xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi AFC với hệ mờ Sugeno có

hàm thuộc hình chuông, và bổ sung các thành phần thích nghi để thích ứng với điều kiện

mạng thay đổi.

Dựa trên mô hình lý thuyết, luận án xây dựng các cơ chế cải tiến FLRED, FLREM. Các cơ

chế FLRED, FLREM lần lượt là các cải tiến của cơ chế RED và REM bằng bộ điều khiển mờ

thích nghi AFC. Qua quá trình cài đặt mô phỏng, cho thấy hiệu quả của các cơ chế quản lý

hàng đợi tích cực được tăng lên, tỉ lệ mất gói tin giảm, mức độ sử dụng đường truyền và độ

ổn định mạng tốt hơn, khi lần lượt sử dụng bộ điều khiển mờ truyền thống và điều khiển mờ

thích nghi AFC cho các cơ chế. Tuy nhiên, để các cơ chế cải tiến bằng bộ điều khiển mờ thích

nghi AFC hoạt động hiệu quả hơn thì cần phải có bộ tham số tối ưu cho nó. Điều này đã đặt

ra nhu cầu huấn luyện bộ điều khiển mờ thích nghi AFC bằng mạng nơ-ron. Thông qua quá

trình huấn luyện, hệ thống tiếp nhận tri thức và cập nhật các tham số cho phù hợp với sự biến

đổi của mạng. Vấn đề này được trình bày trong chương 3 của luận án.

Page 22: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

20

CHƯƠNG 3.

TÍCH HỢP LẬP LUẬN MỜ VỚI MẠNG NƠ-RON

NÂNG CAO HIỆU NĂNG QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC

3.1. Tổng quan mạng nơ-ron nhân tạo

3.1.1. Đơn vị xử lý (nơ-ron)

3.1.1.1. Liên kết trong mạng nơ-ron

3.1.1.2. Quá trình học của mạng nơ-ron

3.1.2. Mạng nơ-ron truyền thẳng một lớp

3.1.2.1. Mạng Perceptron một lớp

3.1.2.2. Quá trình học mạng nơ-ron truyền thẳng một lớp

3.1.3. Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp

3.1.3.1. Thuật toán học lan truyền ngược

3.1.3.2. Huấn luyện mạng theo thuật toán lan truyền ngược

3.2. Kết hợp điều khiển mờ với mạng nơ-ron

3.2.1. Nền tảng của sự kết hợp

3.2.2. Các mô hình kết hợp

3.3. Xây dựng mô hình mạng nơ-ron mờ FNN cải tiến cơ chế AQM

Trong chương 2 đã trình bày việc xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi AFC để cải tiến

các cơ chế AQM và đã đem lại hiệu quả tốt hơn cho các cơ chế. Tuy nhiên, để bộ điều khiển

mờ AFC hoạt động hiệu quả thì cần có bộ tham số tối ưu cho nó. Luận án, đề xuất mô hình

hệ mờ nơ-ron, được gọi là FNN để giải quyết vấn đề này.

3.3.1. Đề xuất bộ điều khiển mạng nơ-ron mờ FNN cải tiến AQM

3.3.1.1. Mô hình mạng nơ-ron mờ FNN

Yes

Yes

e(t)

No

pk(t)

e(t-T)

Khởi tạo

mô hình

mờ mẫu

Khởi tạo

tham số

huấn luyện

ĐIỀU KHIỂN MỜ

AFC

HUẤN LUYỆN

MẠNG BẰNG IBP

Đối tượng

TCP/IP

Tính sai số

ym-y

Sai số

cực tiểu?

Tham số

tối ưu?

y

No

Kêt thúc

Mẫu dữ liệu hợp lệ

Trễ, T

FNN

e(t), e(t-T), y

Hình 3.6. Mô hình mạng nơ-ron mờ FNN cải tiến AQM

Page 23: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

21

3.3.1.2. Hoạt động của bộ điều khiển nơ-ron mờ FNN

Bước 1: Bộ điều khiển mờ thích nghi AFC thực hiện tính các giá trị ngõ vào 𝑒(𝑡), 𝑒(𝑡 −𝑇) là độ sai lệch ngõ ra 𝑦 với giá trị tham chiếu 𝑦𝑚 và được chuẩn hóa trong đoạn [−1,1] nhờ

các hệ số đầu vào, trước khi đưa vào hệ mờ.

Bước 2: Hệ mờ của AFC thực hiện mờ hóa các giá trị đầu vào, sử dụng hệ luật mờ và giải

mờ để tính xác suất 𝑝(𝑡). Xác suất này được tinh chỉnh nhờ hệ số ở đầu ra để cho xác suất

thực đánh dấu/cho rơi gói tin 𝑝𝑘(𝑡).

Bước 3: Số liệu ở ngõ ra của bộ điều khiển mờ AFC được tập hợp thành mẫu dữ liệu cho

quá trình huấn luyện bởi thuật toán lan truyền ngược cải tiến IBP. Mẫu dữ liệu hợp lệ là các

mẫu có dạng {𝑒(𝑡), 𝑒(𝑡 − 𝑇), 𝑦} được cập nhật theo chu kỳ hoạt động 𝑇 của bộ điều khiển mờ

AFC.

Bước 4: Nếu sai số cực tiểu nhỏ hơn hay bằng sai số tối ưu (𝐸𝑚𝑎𝑥 trong IBP) thì hệ thống

đạt tối ưu và kết thúc, ngược lại thì FNN huấn luyện AFC bằng IBP để tìm được bộ tham số

tối ưu cho bộ điều khiển mờ AFC.

3.3.2. Xây dựng bộ điều khiển nơ-ron mờ FNN

3.3.2.1. Tạo nơ-ron mờ cho FNN

3.3.2.2. Xây dựng mạng nơ-ron mờ FNN

3.3.2.3. Huấn luyện mạng nơ-ron mờ FNN

3.3.2.4. Chỉnh định tham số hàm thuộc của AFC

3.3.3. Cải tiến thuật toán lan truyền ngược

3.3.3.1. Chuẩn hóa số liệu đầu vào ra

3.3.3.2. Bổ sung hệ số quán tính

3.3.3.3. Điều chỉnh tốc độ học

3.3.3.4. Thuật toán lan truyền ngược cải tiến

Bước 1: Khởi tạo huấn luyện, bước này khởi tạo a, η và 𝐸𝑚𝑎𝑥 sai số cho phép.

Bước 2: Xử lý mẫu học và tính giá trị đầu ra, để thực hiện một quá trình lặp cho việc huấn

luyện mạng ở mẫu học thứ 𝑘, lan truyền thuận từ lớp vào tới lớp ra.

Bước 3: Tính lỗi 𝐸(𝑡) ở đầu ra theo công thức (3.11) và lan truyền ngược từ đầu ra đến

đầu vào.

Bước 4: Kiểm tra lỗi ở 𝐸(𝑡) ở ngõ ra, nếu 𝐸(𝑡) ≤ 𝐸𝑚𝑎𝑥 nghĩa là mô hình có sai số được

chấp nhận, kết thúc quá trình học và đưa ra bộ trọng số cuối cùng. Ngược lại kiểm tra điều

kiện lặp (𝐸𝑝𝑜𝑐ℎ < 𝐸𝑝𝑜𝑐ℎ𝑚𝑎𝑥) cho mẫu tiếp theo.

3.4. Xây dựng cơ chế quản lý hàng đợi tích cực FNNRED

Mục tiêu của xây dựng cơ chế FNNRED là tìm bộ tham số tối ưu cho cơ chế FLRED đã

được xây dựng ở chương 2, bằng cách dùng FNN để huấn luyện FLRED.

3.4.1. Cài đặt cơ chế FNNRED

Chương trình mô phỏng cơ chế FNNRED gồm các tập tin: FNN.h, FNN.cc, FNN.tcl,

FNNRED.h, FNNRED.cc, FNNRED.tcl. Các chương trình này được trình bày ở Phụ lục A.

Page 24: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

22

3.4.2. Huấn luyện mạng FNN trong FNNRED

Qe(t-T)

Qe(t)

q(t)

Mờ hóa Luật Kết quả Giải mờ

Hình 3.10. Mô hình huấn luyện cho FNNRED

Hình 3.13. Mặt suy diễn của FNNRED

sau khi huấn luyện

3.4.3. Kết quả huấn luyện của FNN trong FNNRED

Hình 3.11. 𝑄𝑒(𝑡) sau khi huấn luyện

Hình 3.12. Qe(t-T) sau khi huấn luyện

3.5. Xây dựng cơ chế quản lý hàng đợi tích cực FNNREM

Mục tiêu của xây dựng cơ chế FNNREM là tìm bộ tham số tối ưu cho cơ chế FLREM đã

được xây dựng trong chương 2, bằng cách dùng IBP để huấn luyện.

3.5.1. Cài đặt cơ chế FNNREM

Chương trình mô phỏng cơ chế FNNREM gồm các tập tin: FNN.h, FNN.cc, FNN.tcl,

FNNREM.h, FNNREM.cc, FNNREM.tcl. Các tập tin này được trình bày trong Phụ lục A.

3.5.2. Huấn luyện mạng FNN trong FNNREM

q(t)

Mờ hóa Luật Kết quả Giải mờ

Pr(t)

Pr(t-T)

Hình 3.14. Mô hình huấn luyện cho

FNNREM

Hình 3.17. Mặt suy diễn của FNNREM sau

khi huấn luyện

Page 25: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

23

3.5.3. Kết quả huấn luyện của FNN trong FNNREM

Hình 3.15. Các hàm thuộc của 𝑃𝑟(𝑡) sau

khi huấn luyện

Hình 3.16. Các hàm thuộc của 𝑃𝑟(𝑡 − 𝑇)

sau khi huấn luyện

3.6. Mô phỏng đánh giá hiệu quả của FNNRED và FNNREM

3.6.1. Đánh giá độ ổn định của FNNRED và FNNREM

3.6.1.1. Kiểm soát hàng đợi của FNNRED và FNNREM

Đồ thị Hình 3.18 cho thấy cơ chế FNNRED có biên độ dao động (nhỏ hơn 50 gói tin) nhỏ

hơn biên độ dao động của cơ chế FEM (lớn hơn 100 gói tin). Đồ thị Hình 3.19 tiếp tục thể

hiện cơ chế FNNRED có khả năng kiểm soát hàng đợi tốt hơn cơ chế FLRED, mặc dù FLRED

có biên độ dao động tương đối nhỏ (nhỏ hơn 70 gói tin).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)a) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FEM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

FEM

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

FNNRED

Thời gian (giây)b) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FNNRED

Hình 3.18. Kiểm soát hàng đợi của cơ chế FEM và FNNRED

Thời gian (giây)a) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FLRED

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

FNNRED

Thời gian (giây)b) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FNNRED

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FLRED

Hình 3.19. Kiểm soát hàng đợi của cơ chế FLRED và FNNRED

Tương tự, khi mô phỏng các cơ chế cải tiến cơ chế REM có dùng điều khiển mờ (FUZREM,

FLREM, FNNREM), kết quả trong Hình 3.20 và Hình 3.21 cho thấy các cơ chế có biên độ

dao động chiều dài hàng đợi tương đối bé. Hình 3.20 thể hiện sự khác biệt về dao động hàng

đợi của cơ chế FNNREM với cơ chế FUZREM và Hình 3.21 cho thấy sự khác nhau về hàng

đợi của cơ chế FNNREM với cơ chế FLREM.

Page 26: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

24

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)a) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FUZREM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

FUZREM

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

FNNREM

Thời gian (giây)b) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FNNREM

Hình 3.20. Kiểm soát hàng đợi của cơ chế FURZEM và FNNREM

Thời gian (giây)a) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FLREM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

FNNREM

Thời gian (giây)b) Sử dụng hàng đợi của cơ chế FNNREM

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FLREM

Hình 3.21. Kiểm soát hàng đợi của cơ chế FURZEM và FNNREM

Từ các kết quả mô phỏng và phân tích trên, cho thấy hiệu quả kiểm soát chiều dài hàng đợi

của các cơ chế tốt dần khi sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi, bộ điều khiển mờ tối ưu để

cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực.

3.6.1.2. Khả năng đáp ứng của FNNRED và FNNREM

Khả năng đáp ứng của các cơ chế quản lý hàng đợi dựa trên kích thước hàng đợi được thể

hiện ở Hình 3.22 và Hình 3.23. Cơ chế FEM cần 10 giây để ổn định hàng đợi khi giảm số

luồng đi một nữa (giảm tải) ở giây thứ 40, con số này của FLRED là 6 giây và của FNNRED

là 4 giây. Kết quả tương tự khi ở giây thứ 70, tăng số luồng lên 100 (tăng tải), FEM cần 5

giây cho sự ổn định hàng đợi, FLRED và FNNRED cần 3 giây. Mặt khác, trong cả hai trường

hợp gây nên biến động tải của mạng, biên độ dao động của chiều dài hàng đợi của FNNRED

luôn thấp hơn so với FEM và FLRED.

Thời gian (giây)a) Khả năng đáp ứng của cơ chế FEM

Chi

ều d

ài h

àng

đợi (

gói t

in)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FNNRED

Thời gian (giây)b) Khả năng đáp ứng của cơ chế FNNRED

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FEM

Chi

ều d

ài h

àng

đợi (

gói t

in)

Hình 3.22. Khả năng đáp ứng của FEM và FNNRED

Page 27: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

FNNRED

Thời gian (giây)b) Khả năng đáp ứng của cơ chế FNNRED

0 10 20 30 40 500 60 70 80 900

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)a) Khả năng đáp ứng của cơ chế FLRED

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

FLRED

Hình 3.23. Khả năng đáp ứng của FLRED và FNNRED

Thời gian đáp ứng và biên độ dao động hàng đợi của cơ chế FNNREM luôn là nhỏ nhất,

trong cả hai trường hợp giảm tải và tăng tải. Điều này có được là do FNNREM dùng điều

khiển mờ tối ưu để huấn luyện và cập nhật các tham số hệ mờ sao cho đầu ra của hệ thống

gần đạt các giá trị mong muốn nhất.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FNNREM

Thời gian (giây)b) Khả năng đáp ứng của cơ chế FNNREM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

Thời gian (giây)a) Khả năng đáp ứng của cơ chế FUZREM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FUZREM

Hình 3.24. Khả năng đáp ứng của FUZREM và FNNREM

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thời gian (giây)a) Khả năng đáp ứng của cơ chế FLREM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (g

ói t

in)

FLREM

Ch

iều

dài

ng

đợ

i (gó

i tin

)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

FNNREM

Thời gian (giây)b) Khả năng đáp ứng của cơ chế FNNREM

Hình 3.25. Khả năng đáp ứng của FLREM và FNNREM

Dựa vào kết quả cài đặt mô phỏng và hình ảnh các đồ thị cho thấy, thời gian đáp và biên

độ dao động của hàng đợi giảm dần khi khi tại nút mạng lần lượt áp dụng các cơ chế quản lý

hàng đợi có dùng bộ điều khiển mờ truyền thống, bộ điều khiển mờ thích nghi và bộ điều

khiển mờ tối ưu để cải tiến các cơ chế này.

3.6.2. Đánh giá hiệu năng của FNNRED và FNNREM

3.6.2.1. Đánh giá tỉ lệ mất gói tin của FNNRED và FNNREM

Hình 3.26 biểu diễn số liệu của Bảng B.5 và Bảng B.6 của Phụ lục B, thể hiện tỉ lệ mất gói

Page 28: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

26

tin của các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực có sử dụng điều khiển mờ. Từ đồ thị, thấy rằng

khi kích thước hàng đợi tại bộ định tuyến tăng thì tỉ lệ mất gói tin của các cơ chế đều giảm và

khi tăng số luồng kết nối vào bộ định tuyến thì tỉ lệ mất gói tin tăng

0 10 50 100 150 200 250 3000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Số luồng kết nối

b) Mức độ mất gói tin khi tải nạp thay đổi

Tỉ lệ

mất

gói

tin

(%

)

FEM

FLRED

FLREM

FNNRED

FNNREM

FUZREM

100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Chiều dài hàng đợi (gói tin)

a)Mức độ mất gói tin theo chiều dài hàng đợi

Tỉ lệ

mất

gói

tin

(%)

FEM

FLRED

FLREM

FNNRED

FNNREM

FUZREM

Hình 3.26. Tỉ lệ mất gói tin của các cơ chế dùng điều khiển mờ

Điều này chứng tỏ rằng, tỉ lệ mất gói tin của các cơ chế AQM trong mô phỏng phụ thuộc

lớn vào các bộ điều khiển mờ mà nó sử dụng. Từ đồ thị trên Hình 3.26, thấy rằng khi cải tiến

cùng một cơ chế truyền thống (RED, REM) thì cơ chế nào dùng bộ điều khiển mờ thích nghi

AFC sẽ có tỉ lệ mất gói thấp hơn so với cơ chế dùng bộ điều khiển mờ truyền thống, nhưng

lại có tỉ lệ mất gói cao hơn so với các cơ chế dùng bộ điều khiển mờ tối ưu FNN.

3.6.2.2. Đánh giá sử dụng đường truyền của FNNRED và FNNREM

100 200 300 400 500 600 700 800 900 100091

92

93

94

95

96

97

98

99

100

Chiều dài hàng đợi (gói tin)

a) Mức sử dụng đường truyền theo chiều dài hàng đợi

Mứ

c đ

ộ s

ử d

ụng

đư

ờng

tru

yền

(%)

FEM

FLRED

FLREM

FNNRED

FNNREM

FUZREM

0 10 50 100 150 200 250 30086

88

90

92

94

96

98

100

Số luồng kết nối

b) Mức độ sử dụng đường truyền theo số luồng kết nối

Mứ

c đ

ộ s

ử d

ụng

đư

ờng

tru

yền

(%)

FEM

FLRED

FNNRED

FLREM

FNNREM

FUZREM

Hình 3.27. Mức độ sử dụng đường truyền của các cơ chế dùng điều khiển mờ

Dựa trên đồ thị, nhận thấy sự phân hoạch các cơ chế theo mức độ đường truyền. Trong cả

hai đồ thị của Hình 3.27, mức độ sử dụng đường truyền được tăng đần từ nhóm các cơ chế sử

dụng bộ điều khiển mờ truyền thống (như FEM, FUZREM), tiếp theo là nhóm các cơ chế sử

dụng bộ điều khiển mờ thích nghi AFC (như FLRED, FLREM) cho đến nhóm các cơ chế sử

dụng bộ điều khiển mờ tối ưu FNN (như FNNRED, FNNREM). Điều này phù hợp với kết

quả phân tích lý thuyết, khi AFC sử dụng hệ mờ Sugeno có cơ chế điều chỉnh tham số đầu ra

K và phương pháp xác định các mẫu Gm cho các giá trị mục tiêu, và FNN được xây dựng từ

AFC bằng cách huấn luyện để có bộ giá trị cho tham số tối ưu, sao cho sai lệch các giá trị đầu

ra của hệ thống so với các giá trị mong muốn là nhỏ nhất.

3.7. Kết luận chương

Chương này đã giải quyết được vấn đề đặt ra ở cuối Chương 2, là làm thế nào để có bộ

tham số tốt nhất cho bộ điều khiển mờ thích nghi AFC, và đây cũng là mục tiêu thứ ba của

Page 29: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

27

luận án. Để giải quyết vấn đề này, tác giả đã đề xuất kết hợp logic mờ với mạng nơ-ron để

xây dựng mô hình mạng nơ-ron mờ FNN cho việc nâng cao hiệu năng của các cơ chế quản lý

hàng đợi tích cực. Dựa trên mô hình này, luận án tiếp tục cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi

tích cực đã xây dựng trong Chương 2. Kết quả của sự kết hợp được minh họa bằng việc xây

dựng hai cơ chế FNNRED và FNNREM bằng cách huấn luyện mạng nơ-ron FNN bởi thuật

giải lan truyền ngược cải tiến IBP cho hai cơ chế FLRED và FLREM.

Để kiểm chứng hiệu quả của bộ điều khiển mờ tối ưu FNN, luận án thực hiện cài đặt mô

phỏng và đánh giá các cơ chế cải tiến có dùng bộ điều khiển mờ truyền thống (FEM,

FUZREM), các cơ chế sử dụng điều mờ thích nghi (FLRED, FLREM) và các cơ chế áp dụng

bộ điều khiển mờ tối ưu (FNNRED, FNNREM). Việc cài đặt mô phỏng được thực hiện dựa

trên các mô hình mạng phổ biến và mô hình mạng tổng quát như đã thực hiện trong Chương

2. Kết quả mô phỏng đã cho thấy: khi cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực bằng bộ

điều khiển mờ truyền thống, bộ điều khiển mờ thích nghi AFC và bộ điều khiển mờ tối ưu

FNN thì độ ổn định và hiệu năng của các cơ chế thể hiện theo chiều hướng tốt hơn.

Tuy nhiên, bộ điều khiển mờ trong các cơ chế cải tiến vẫn còn phụ thuộc vào tri thức của

chuyên gia nên hiệu năng của các cơ chế này chưa thật sự tốt nhất. Để khắc phục hạn chế này,

thì cần có tri thức từ nguồn dữ liệu lớn cho quá trình huấn luyện. Điều này đồng nghĩa với

việc cần không gian bộ nhớ và thời gian thực hiện lớn. Mặt khác, dùng mạng nơ-ron huấn

luyện để tìm được bộ điều khiển mờ tối ưu trong các bộ điều khiển mờ thích nghi đã có, chứ

chưa phải là tìm được bộ điều khiển mờ tốt nhất. Những vấn đề tồn tại này sẽ được tiếp tục

cải tiến trong hướng phát triển của luận án.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận của luận án

Kiểm soát tắc nghẽn là một nhiệm vụ quan trọng trên mạng TCP/IP. Việc chỉ sử dụng các

giải thuật kiểm soát tắc nghẽn truyền thống trên mạng TCP/IP là không đủ đáp ứng chất lượng,

do đây chỉ là các giải thuật kiểm soát tắc nghẽn thụ động ở phía đầu cuối. Do đó, cần phải

nghiên cứu các cơ chế kiểm soát tắc nghẽn tại các nút mạng để đảm bảo hệ thống ổn định,

nhằm cung cấp tốt chất lượng dịch vụ mạng cho người dùng. Một trong các hướng nghiên

cứu đó là nhằm phát triển các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực.

Mục tiêu của quản lý hàng đợi tích cực là duy trì một xác suất chủ động loại bỏ gói hợp lý

nhằm hạn chế được tình trạng tắc nghẽn trong khi vẫn đảm bảo được chất lượng của các luồng

lưu lượng và tính công bằng trong quan hệ giữa các luồng lưu lượng khi trạng thái động học

của mạng thay đổi. Tuy nhiên, các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện tại vẫn cần được cải

tiến sao cho vừa đơn giản hóa khi thực hiện, vừa nâng cao tính thông minh trong việc duy trì

độ dài hàng đợi trung bình. Vì vậy, luận án tập trung nghiên cứu cải tiến cơ chế quản lý hàng

đợi tại nút mạng, trên cơ sở áp dụng các thành tựu đạt được của khoa học máy tính mà cụ thể

là của lĩnh vực tính toán mềm nhằm bổ sung khả năng học, khả năng ra quyết định thông

minh cho hệ thống quản lý hàng đợi tại nút mạng.

Luận án đã có một số đóng góp mới trong việc cải tiến cơ chế quản lý hàng đợi tích cực tại

các nút mạng TCP/IP. Đó là, xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi AFC và xây dựng bộ điều

khiển nơ-ron mờ FNN để tìm ra bộ tham số của bộ mờ tối ưu cho bộ điều khiển mờ thích nghi

AFC. Các đóng góp mới được cụ thể như sau:

Phân tích, đánh giá và phân lớp ứng dụng cho các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực hiện

có, bao gồm cả các giải pháp áp dụng bộ điều khiển mờ truyền thống để cải tiến các cơ chế

Page 30: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

28

quản lý hàng đợi tích cực tiêu biểu nhằm nâng cao hiệu quả kiểm soát tắc nghẽn trong mạng

TCP/IP.

Đề xuất mô hình điều khiển mờ thích nghi AFC để cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi

tích cực. Dựa trên mô hình lý thuyết, luận án đã xây dựng các cơ chế cải tiến FLRED và

FLREM. Kết quả cài đặt mô phỏng đã chứng minh tính hiệu quả của việc sử dụng điều khiển

mờ thích nghi AFC để cải tiến các cơ chế quản lý hàng đợi.

Đề xuất mô hình kết hợp lập luận mờ với mạng nơ-ron để xây dựng bộ điều khiển mờ

tối ưu FNN nhằm nâng cao hiệu quả của các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực. Dựa trên mô

hình lý thuyết, luận án đã xây dựng các cơ chế cải tiến FNNRED, FNNREM. Hai cơ chế này

có được bằng cách sử dụng mạng nơ-ron mờ FNN huấn luyện cho các cơ chế FLRED và

FLREM. Kết quả cài đăt mô phỏng cho thấy hiệu năng của các cơ chế được nâng lên khi sử

dụng điều khiển mờ tối ưu FNN.

Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và kiểm chứng bằng cài đặt mô phỏng, cho thấy hiệu năng

của các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực tại các nút mạng được tăng dần khi lần lượt áp dụng

các bộ điều khiển mờ truyền thống, bộ điều khiển mờ thích nghi AFC và điều khiển mơ tối

ưu FNN để cải tiến các cơ chế này.

Hướng phát triển của luận án

Để khắc phục những vấn đề đã được nêu ra ở cuối Chương 3 của luận án, chúng tôi sẽ tiếp

tục cải tiến bộ điều khiển mờ tối ưu FNN nhằm đem lại hiệu năng cho các cơ chế quản lý

hàng đợi tích cực tốt hơn. Ngoài ra, chúng tôi sẽ xem xét khả năng kết hợp logic mờ, mạng

nơ-ron với các công cụ khác của kỹ thuật tính toán mềm (như tính toán tiến hóa, lập luận xác

suất) để xây dựng các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực mới.

Việc tìm kiếm bộ điều khiển mờ tối ưu toàn cục cần có kỹ thuật tìm kiếm tối ưu trên nguồn

dữ liệu lớn. Với điểm mạnh là tìm kiếm khu vực tối ưu trong toàn cục thì kỹ thuật tiến hóa sẽ

có thể là sự lựa chọn khả thi để kết hợp với mạng nơ-ron nhằm xây dựng các kỹ thuật tìm

kiếm tối ưu trong tương lai. Vì vậy, chúng tôi sẽ tiếp tục hướng đến việc xây dựng kiến trúc

FNNE (Fuzzy Neural Network Evolution), là sự phát triển của FNN bằng cách bổ sung công

cụ tính toán tiến hóa, để tìm được bộ điều khiển mờ tối ưu toàn cục cho hệ thống cải tiến cơ

chế quản lý hàng đợi tích cực.

Song song với việc đánh giá kết quả nghiên cứu dựa trên mô phỏng, việc triển khai thử

nghiệm chúng trong môi trường mạng thực cũng sẽ được đặc biệt quan tâm nhằm kiểm chứng

kết quả mô phỏng và tìm cơ hội áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

[CT1]. Nguyễn Kim Quốc, Võ Thanh Tú (2012) “Đánh giá hiệu năng của một số cơ chế quản

lý hàng đợi tích cực dựa trên kích thước hàng đợi và tải nạp”, Tạp chí khoa học Đại học Huế,

Tập 74A, Số 5, tr 109-119.

[CT2]. Nguyễn Kim Quốc, Võ Thanh Tú, Nguyễn Thúc Hải (2013), “Đề xuất cơ chế quản lý

hàng đợi tích cực trên môi trường mạng tốc độ cao”, Kỷ yếu Hội nghị khoa học quốc gia lần

thứ VI - FAIR “Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ thông tin”, Thừa Thiên Huế,Việt

Nam, tr 108-115.

[CT3]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2013), “Fuzzy Logic Control

for SFB Active Queue Management Mechanism”, Proceedings of the International

Conference on Context-Aware Systems and Applications (ICCASA), Vol. 128, No. 3, pp. 97-

104.

Page 31: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

29

[CT4]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2014), “Improving control

mechanism at routers in TCP/IP networks”, Scientific Journal of EAI (European Alliance for

Innovation), ISSN 2409-0026, Vol. 1, pp. 52-66.

[CT5]. Nguyễn Kim Quốc, Võ Thanh Tú, Nguyễn Thúc Hải (2014), “Cải tiến cơ chế quản lý hàng

đợi tại nút mạng”, Tạp chí khoa học và công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt

Nam, Tập 52, Số 4D, tr 77-92.

[CT6]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2014), “Proposed

improvements control mechanism at network node in high-speed network environment”, Kỷ

yếu Hội nghị khoa học quốc gia lần thứ VII - FAIR “Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công

nghệ thông tin”, Thai Nguyen, Viet Nam, pp. 545-556.

[CT7]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2015), “Model Integrating

Fuzzy Argument with Neural Network Enhancing the Performance of Active Queue

Management”, Scientific Journal of EAI (European Alliance for Innovation), ISSN 2409-

0026, vol. 2, issue 4, pp. 12-22.

[CT8]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2015), “Some Improvements

on Active Queue Management Mechanism Based on Adaptive Fuzzy Control”, Scientific

Journal of EAI (European Alliance for Innovation), ISSN 2409-0026, vol. 2, issue 5

[Accepted]

Page 32: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

HUE UNIVERSITY

COLLEGE OF SCIENCES

NGUYEN KIM QUOC

RESEARCH IMPROVED CONTROL

MECHANISMS AT THE NETWORK NODES

MAJOR: COMPUTER SCIENCE

CODE: 62.48.01.01

ABSTRACT OF THE THESIS

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS. TS. NGUYỄN THÚC HẢI

HUE, 2015

Page 33: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

The thesis had implemented at College of Sciences, Hue University

Academic Supervisor:

Prof. Dr. Nguyen Thuc Hai

Assoc. Prof. Dr. Vo Thanh Tu

Reviewer 1: ............................................................................................................

..............................................................................................................

Reviewer 2: ............................................................................................................

..................................................................................................................................

Reviewer 3: ............................................................................................................

..................................................................................................................................

This thesis will be reported at Hue University

Date & Time …./ …./…./….

The thesis can be found at:

1. National Library of Vietnam, Hanoi

2. Learning Resource Centers - Hue University

3. Center for Information and Library, College of Sciences, Hue University

Page 34: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

1

PREFACE

Internet is a global networking system which ensures a continuity between computer

systems and equipment on a large scale. Internet is growing not only in the terms of

connection but also diversity of the application layers. Therefore, Internet congestion is

inevitable. In order that transmission lines may be smooth, congestion control at the network

nodes plays a very important role for the Internet operational efficiency and reliability for

users. To study and improve congestion control mechanism at the network nodes, the

introduction of the thesis comes from general research of domestic and international control

situation of congestion at the network nodes in order to show the scientific and necessary

nature of the thesis. Thence, the thesis may set out the study motivation and study goals. Next,

the thesis has proposed study methodology and study subjects, in order to perform the study

goals and finally the introduction presents the layout and contributions of the thesis.

1. Scientific and necessary nature of the thesis

There are two common options for congestion control which consists of improving the

capacity of hardware devices and using software techniques. Improving the capacity of

hardware devices is necessary, but it is so costly, hard to be sync and the efficiency is still

not high. However, using software techniques to control congestion is highly efficient. In

this technique, there are two methods of interest and development, including: improving

the communication controlling protocols and advancing AQM: Active Queue Management

at the network nodes [17] [28] [55]. The increase of TCP performance through variations has

been deployed on the Internet and has brought enormous efficiency. However, due to the

multi-standard of network types, the abundance of connecting devices and the complexity of

communication applications, so it is important to have mechanisms to (AQM) active queue

management at the network nodes to support regulate traffic on the network, in order to avoid

and resolve congestion [7][10][51].

Active queue management (AQM) at the network nodes in order to control the number of

data packets in the queue of the network nodes, by actively removing the packets until the

queue is full or congestion notification when the network is in the "embryo" period of

congestion to regulate traffic on the network. The stability of the queue length will make some

performance parameters of TCP/IP network, such as packet loss ratio, transmission

efficiency, average latency and latency variability fluctuated in a reasonable range. This will

both ensure no congestion on the network and facilitate to provide and maintain the best

quality of network services [7] [39] [62].

There are three approaches to solve the active queue management problem, including:

Queue management based on queue length (typically RED mechanism) [22][25] [67], queue

management based on packet flow to - also called traffic load (represented as BLUE

mechanism) [24] [73] and queue management based on the combination of the queue length

and packet flow to (typically REM mechanism) [57] [65]. In recent years, in order to improve

the performance of the active queue management, in addition to the typical three mechanisms

mentioned above, there are many other mechanisms announced. The works revolve around

the improvement of RED, BLUE and REM mechanisms[18][26][54]. The obtained results

have partially met the requirements of the problem of active queue management [54][66].

However, active queue management mechanisms is still some inherent disadvantages, such

as using the linear function to determine the level of congestion and probabilistic

marking/dropping the packet; and difficult to install the parameters for mechanisms to suit

each different network environment [39] [59] [76].

Page 35: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

2

Soft Computing (SC) includes tools: fuzzy logic, neural networks, probabilistic reasoning,

evolutionary computation. The objective of Soft Computing is to solve problems of

approximation, approximation which is a new trend, allowing a specific problem to be

exploited with the goal that the system is easy to design, low cost while ensuring accuracy

and intelligence in the implementation process with an acceptable error threshold. The

successful applications of Soft Computing show Soft Computing is growing strongly and

playing an important role in various fields of science and engineering [36][45]. In Soft

Computing Technique, fuzzy logic is considered as the best tool to achieve human knowledge,

thanks to the membership functions and fuzzy systems. Therefore, fuzzy logic is used widely

in many fields, especially in the field of automatic control [5] [8]. Besides, fuzzy logic, with

strengths in updating knowledge through the training process to neural networks is widely

and commonly used, especially in the field of computer science [53] [68].

Because of the superiority of Soft Computing so that scientists have used soft computing

tools to improve software active queue management mechanisms at the network nodes in

recent years [23][32][50][78]. However, there should be a combination of Soft Computing

tools to promote its advantages and reduce its disadvantages for the tools to build active queue

management mechanisms. Thus, these mechanisms still need to be improved so that they are

simpler, flexible to control, adaptive to the network environment when implementing,

ensuring fairness in obtaining or removing packets for with the arrival flow streams and

maintaining its average queue length in terms of changeable network. Thus, studying to

improve queue active queue management mechanisms, by combining the Soft Computing

skills and modern control methods to supplement processing capabilities, the ability to make

smart decisions for active queue management system at network nodes is essential and urgent.

2. Motivation of study

First, linearity of the control function of the mechanism cannot be grasped for effective

control of the network and nonlinear dependence of the mechanism on static parameters

cannot be adapted to changeable network status. This issue is solved by fuzzy control method

in the thesis.

Second, most active queue management mechanisms have not referred to the impact of

the elements in the network on the congestion controlling process, so the control of

mechanisms cannot be well adaptive to the network environment. Therefore, the thesis uses

adaptive fuzzy control technique to overcome such problems.

Third, recently some mechanisms of active queue management have used fuzzy

reasoning to join the queue management but fuzzy control system of these mechanisms

depend heavily on experts and its parameters are not addressed Update in response to each

different network conditions. Therefore, the thesis applies optimized fuzzy controlling

method by training the system, keeps the system following the network’s changing

environment so that the mechanism can work more effectively.

3. Thesis goals

First is studying and evaluation of active queue management mechanisms to find out the

advantages and disadvantages of each mechanism, in order to classify and evaluate

application performance for mechanisms and using fuzzy logic to improve active queue

management mechanism. The results of the first goals is to perform study motivation first and

will be the foundation for the theory and simulation improvements of the thesis.

Second is basing on the analysis and evaluation of active queue management mechanisms

in the first goal, combining theory of dynamical system control, fuzzy control and adaptive

Page 36: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

3

control techniques to build adaptive fuzzy control, to improve active queue management

mechanisms. The results of this goal is to resolve existing problems in the second study

motivation of the thesis.

Third is combining fuzzy reasoning and neural networks to build fuzzy neural system in

order to better improve queue active management mechanisms improved in the second goal,

namely that building FUZZY NEURAL NETWORK (FNN) to enhance the performance of

the mechanisms improved from AFC. The outcome of this goal is to implement the third study

motivation of the thesis.

4. Study method

To achieve these goals, the study method in the thesis is closely combined between

theoretical research and proven simulation settings. This method using the study objects

consisting of the typical active queue management mechanisms, control theory, Soft

Computing skills and two simulated software, Matlab and NS2 [40] which are trusted by

scientific researchers.

5. Thesis layout

With the goals and methods of the study mentioned above, the thesis content is outlined

into three chapters.

Chapter 1: Congestion control in TCP/IP network upon active queue management at

network nodes – The chapter’s beginning section will present the TCP congestion control

and its variants over TCP/IP network. Thence, clarifying the importance of active queue

management mechanisms in congestion control in TCP/IP network. The next section of the

chapter will update, analyze, evaluate and classify application of typical active queue

management mechanisms and fuzzy control applied to improve these mechanisms. Thereby,

the thesis gives out the existing issues in the existing active queue management mechanisms

and proposes the ideas of building adaptive fuzzy control model to the problem improving

active queue management mechanisms in the network nodes at the end of the chapter.

Chapter 2: Improvement of active queue management mechanisms upon adaptive

fuzzy control – The chapter’s beginning section presents the mathematical foundations of

fuzzy logic, the next of the chapter is to survey, to assess active queue management

mechanisms with the application of fuzzy control. Thence, the thesis models (AFC) adaptive

fuzzy control to overcome the limitations of previous proposals. Basing on theoretical models,

the thesis carries out the construction and simulation installation of improved FLRED and

FLREM mechanisms. In particular, FIRED mechanism is improved from RED mechanism,

FLREM mechanism improved from REM mechanism. The next part of the program is the

simulation evaluation of the proposed mechanism compared to existing mechanisms. The last

part of the chapter is the conclusion of the AFC significance in improving mechanism of

active queue management, while pointing out the limitations of AFC and setting out the need

to use neural networks to adjust the parameters of AFC.

Chapter 3: Integrated fuzzy reasoning and neural networks to enhance performance

of active queue management - The first section of the chapter presents the mathematical

basis of neural networks. Thence, the thesis models fuzzy neural network (FNN) by

integrating fuzzy control with neural networks in order to improve active queue management

mechanisms. During network training, to have good academic results, the thesis proposes to

use Improved Back Propagation (IBP). Basing on the theoretical model, the thesis builds

innovative mechanisms of FNNRED, FNNREM. In particular, FNNRED mechanism is

improved from FLRED mechanism and FNNREM is improved from FLREM mechanism.

Page 37: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

4

The next part of the chapter is the simulation and evaluation of the proposed mechanisms

compared to the mechanisms using adaptive fuzzy control AFC and mechanisms using fuzzy

controller. The last section of the chapter confirms the role of fuzzy neural network (FNN) to

enhance performance of active queue management.

Finally, the conclusion, summary of the author's new proposals to implement the goals of

the thesis. In addition, the author also offers the expected studying areas and results in the

future.

6. Thesis’s contributions

From the study results on the theory and demonstration through simulation, the thesis has

made some specific contributions as follows:

Making application layers for existing active queue management mechanisms, and using

ECN technology to improve active queue management mechanisms, the result has been

published in the works [CT1][CT2]. Using the fuzzy controller to improve active queue

management mechanisms, the result has been published in the works [CT3] [CT5] [CT6].

Building (AFC) adaptive fuzzy control model to improve the active queue management

mechanisms at the network nodes, the result has been published in the works [CT8].

Building (RFN) fuzzy neural network model to improve the efficiency of the active

queue management mechanisms at the network nodes, the result has been published in the

works [CT4] [CT7].

From the above results, the thesis shows the improvement role of queue management

mechanisms in the network nodes and the potential application of soft computing technique

to solve the larger problems in TCP/IP.

CHAPTER 1.

CONGESTION CONTROL IN TCP/IP NETWORK UPON

ACTIVE QUEUE MANAGEMENT AT NETWORK NODES

1.1. Congestion control in TCP/IP network

1.1.1. Operating model of TCP/IP network

1.1.1.1. Communication model in TCP/IP network

1.1.1.2. Mathematical model of TCP/IP network

1.1.2. Congestion in TCP/IP network

1.1.2.1. Congestion Causes

1.1.2.2. Principles of congestion control

1.1.2.3. Congestion control techniques

1.1.3. Congestion control of TCP

1.1.4. Congestion control with queue management

1.1.5. Active queue management

The most important goal of active queue management mechanism is to prevent congestion

before it actually happens, maintain stable queue length in order to reduce the loss of the

packets to achieve a high data transmission flow and a low latency queue [10] [17] [18].

Page 38: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

5

1.1.5.1. Architecture of network nodes

1.1.5.2. Congestion control with active queue management

1.1.5.3. Advantages of active queue management

1.1.6. Explicit congestion notification technique

ECN: Explicit Congestion Notification is a technique that allows a network node to provide

clear feedback to the sender of congestion.

1.2. Analysis and evaluation of active queue management mechanisms

1.2.1. Queue management mechanism based on queue length

In the queue management mechanism based on queue length, the congestion phenomenon

is based on the instantaneous or average length of queue.

1.2.1.1. RED mechanism

In 1993, Sally Floyd and et al proposed RED mechanism [25][42] for early detection of

congestion, RED controls congestion at network nodes by checking the average length of the

queue when packets arrive and make decisions to receive the packets, mark or reject the

packets.

1.2.1.2. FRED mechanism

In 1997, Dong Lin and et al proposed FRED mechanism [21] to improve RED mechanism

to reduce the unfair impact in queue.

1.2.2. Management mechanism based on traffic load

Active queue management mechanisms based on traffic load to predict linked the usability

of transmission lines, identify congestion and provide remedies. This mechanism’s purpose

is to regulate packet in network nodes to stabilize the arrival packets, in order to maintain

network stability. The typical mechanisms for this group are: BLUE and SFB.

1.2.2.1. BLUE mechanism

In 2002, Wu-Chang Feng et al proposed BLUE mechanism [27][81]. The main idea of

BLUE is to use a probability variable 𝑝𝑚 to mark the packets as they enter the queue. This

probability increases/decreases linearly depending on the dropping ratio of packet or use of

transmission line.

1.2.2.2. SFB mechanism

In 2001, Wu-Chang Feng et proposed SFB mechanism [72]. SFB divided queue into

computing boxes, each box maintain a probability marking the packet 𝑝𝑚 similar BLUE. The

boxes are organized into 𝐿 levels, each level has 𝑁 box. In addition, SFB uses 𝐿 independent

hash functions, each function corresponds to one level. Each hash function reflects a stream

into one of the boxes in such level.

1.2.3. Management mechanism based on queue length and traffic load

The active queue management mechanisms based on the queue length control and packet

flow to the network nodes, to estimate the level of use of resources (queues and bandwidth),

to determine the congestion state at the network nodes. Typical mechanisms for this group

like REM and GREEN mechanisms [11] [57][71].

1.2.3.1. REM mechanism

In 2001, Sanjeewa Athuraliya et al proposed REM mechanism [57] [75]. The idea of REM

is to stabilize input load and link capacity of the queue, regardless of the number of users to

Page 39: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

6

link share.

1.2.3.2. GREEN mechanism

In 2002, Apu Kapadia et al proposed GREEN mechanism [6][71]. GREEN mechanism

applied knowledge of the stable behaviors of TCP connections in the network nodes to the

fall (or mark) packets.

1.2.4. Performance evaluation and application classifier of AQM mechanism

1.2.4.1. Performance evaluation of AQM mechanism

Table 1.2. Performance evaluation of active queue management mechanisms

Mechanism RED BLUE REM GREEN

Throughput medium high high high

Packet loss ratio high low medium low

Buffer space great small medium small

1.2.4.2. Application classifier of AQM mechanisms

1.3. Application classifier of active queue management mechanism

Mechanism RED BLUE REM GREEN

Classifier

Based on queue length

Based on traffic load

Based on transmission line

efficiency

Based on the information

flow

Flow

control

Adaption

Unadaptive Strong

Weak

1.3. Fuzzy logic application status in active queue management

The purpose of the application of fuzzy logic is to simplify the design of AQM algorithm

based on a degree of tolerance. The application of fuzzy logic in active queue management

mechanisms has been researched by many scientists in recent years.

1.3.1. RED Mechanisms using improved fuzzy logic

1.3.1.1. FEM Mechanism

In 2006, C. Chrysostomou et al proposed FEM mechanism [12][13]. FEM is built by

introducing fuzzy logic into RED mechanism.

1.3.1.2. FCRED Mechanism

In 2007, Jinsheng Sun et at proposed FCRED mechanism [34]. FCRED using a fuzzy

controller to adjust the maximum dropping probability 𝑚𝑎𝑥𝑝 of RED, to increase the stability

of the average queue length in the reference queue length range QT.

1.3.2. BLUE mechanism using improved fuzzy logic

1.3.2.1. Fuzzy BLUE Mechanism

Page 40: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

7

In 2005, MH Yaghmaei et al proposed Fuzzy BLUE mechanism [47] to improve Fuzzy

BLUE mechanism upon fuzzy logic. Fuzzy BLUE using packet loss ratio and queue usage

ratio as input language variables and the packet dropping marking probability as output

language variables.

1.3.2.2. DEEP BLUE Mechanism

In 2009, S. Masoumzadeh et al proposed DEEP BLUE mechanism [60] to improve BLUE

mechanism. DEEP BLUE using probability to remove the packet and event of idle links for

congestion control, as the input variables of the fuzzy controller and the output as variable

𝑚𝑎𝑥𝑝.

1.3.3. REM mechanism using improved fuzzy logic

1.3.3.1. FRAME Mechanism

In 2010, Y. Xian et al proposed FREM mechanism [32] [77], built on REM algorithm and

fuzzy logic controller to mark and automatically release the packets, keep the queue length at

the level around the reference value and prevent overflow queue.

1.3.3.2. FUZE Mechanism

In 2008, Xu Changbiao et al proposed FUZREM Mechanism [74] to improve the

performance of REM mechanism upon opening argue. FUZREM using fuzzy Mamdani with

triangular function, with 7 domains of value for the input and output variables, so its fuzzy

rule system consists of 49 rules.

1.3.4. Improving queue management mechanism by fuzzy control

The following section introduces the improvement of BLUE mechanism and SFB

mechanism by fuzzy controller. The RED and REM mechanisms are also improved by fuzzy

controller, and improving performance through adaptive fuzzy control and fuzzy control

optimization will be introduced in the next chapter of the thesis.

1.3.4.1. Improvement of BLUE mechanism

We develop FLBLUE mechanism [CT5] from the improvement of BLUE mechanism by

fuzzy logic. Fuzzy controller of FLBLUE is fuzzy Mamdani with triangular/trapezoidal

functions, with two inputs 𝐵𝑒(𝑘𝑇) and 𝐵𝑒(𝑘𝑇 − 𝑇) as the deviation of the current throughput

against the objective throughput in the output of the bottleneck at two consecutive sampling

times.

1.3.4.2. Improvement of SFB mechanism

We have developed FSFB mechanism [CT3] from the improvement of SFB mechanism by

using fuzzy controller, with two inputs as packet loss ratio and the using level of the queue to

compute the output as the probability of packet marking. Two quantities of 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡 𝑙𝑜𝑠𝑠 (𝑡)

and 𝑞𝑢𝑒𝑢𝑒 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ(𝑡) represent the two inputs and encoded by three domains

(𝑙𝑜𝑤, 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚, ℎ𝑖𝑔ℎ) with trapezoidal function.

1.4. Several problems in active queue management mechanisms

Overall, the existing active queue management mechanisms often use the linear functions

for calculating probabilities rejecting/ marking packets and comply with a fixed formula, it is

not strong enough for the high network flow and cannot grasp the nonlinear and dynamical

nature of TCP/IP network. This requirement can be achieved when using nonlinear method

for probability rejecting/marking packets in the flexible approach through Soft computing

techniques, such as fuzzy logic, neural networks, advanced computing, probabilistic

reasoning.

Page 41: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

8

The control systems using fuzzy reasoning to provide simple and efficient solutions to

control the nonlinear conversion system over time, using a fuzzy inference to make the

decision for probabilities rejecting or marking packets, which does not require much

knowledge of the kinetic parameters of the system or network. Fuzzy control system for active

queue management is able to work efficiently and stably to put the controlled object in a stable

state as soon as possible.

In recent years, AQM mechanisms based on fuzzy logic has been proposed with the design

process simpler than traditional AQM algorithms and for some better results in maintaining

stability of the queue. However, the design of the fuzzy controllers still lacks adaptive

components and depends heavily on the knowledge of experts. Therefore, there should be the

adaptive fuzzy controllers and the ability to self-learn from the actual results of measurement

of input/output of the system to obtain better parameters for the fuzzy controller, to increase

efficiency of active queue management mechanisms.

1.5. Conclusion of the Chapter

This chapter has presented the congestion control mechanism for TCP/IP network and the

importance of active queue management at the network nodes during the congestion control.

Thence, analyzing the study status of the traditional queue management mechanism. Basing

on the results of theoretical research and analysis of active queue management mechanisms,

the thesis has made the performance evaluation and application Classifier to the mechanisms.

Most of the methods of active queue management cannot meet all the goals, especially the

goal to respond to change in non-linear and kinetics of TCP/IP network.

The last part of the chapter, the thesis has made some improvements for active queue

management mechanisms upon fuzzy controller. However, these improvements are based on

fuzzy Mamdani with triangular or trapezoidal functions to simplify in the calculation process,

so the control process has not been smooth and the adaption to the network environment is

not high. Therefore, it is necessary to continue improving the fuzzy controller to improve

performance for the mechanism, by replacing Fuzzy Mamdani with a better one and adding

adaptive components to better adapt to the actual condition of the network. These are the

issues to be researched and developed in the following chapters.

CHAPTER 2.

IMPROVEMENT OF ACTIVE QUEUE MANAGEMENT

MECHANISMS UPON ADAPTIVE FUZZY CONTROL

2.1. Mathematical basis of fuzzy logic

2.1.1. Fuzzy set

Definition of 2.1 [30]. Give 𝑼 universe set. 𝐴 set is defined by the equation:

( ) / : , ( ) [0,1]A AA u u u U u then 𝐴 called fuzzy set on 𝑼 set.

𝑢 variable takes the value of 𝑼 called basic variable and therefore, 𝑼 set also known as the

reference set or basic domain.

𝜇𝐴: 𝑈 ⟶ [0,1] function is called IMF: Membership Function and 𝜇𝐴(𝑢) value at 𝑢 called

the likelihood of u element belonged to A fuzzy set.

2.1.2. Membership Functions for fuzzy set

The membership functions are built from the basic functions such as: first derivative,

Page 42: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

9

trapezoidal, triangular, and Gaussian distribution function and bell function.

2.1.3. Typical parameters for fuzzy set

The parameters characterize the fuzzy set consisting of height (𝐻), domain of determinacy

(𝑆)confidence range (𝑇)

2.1.4. Calculations on fuzzy set

T-norm and S-norm

Definition of 2.2 [30]. A 2-variable function T: [0,1] [0,1] [0,1] known as T-norm

(T-norm) if it meets the following properties with 𝑎, 𝑎’, 𝑏, 𝑐 [0,1]:

Definition of 2.3 [30]. A 2-variable function S: [0,1] [0,1] [0,1] known as T-norm (S-

norm), if it meets the following properties with 𝑎, 𝑎’, 𝑏, 𝑐 [0,1]:

Intersection of two fuzzy sets

The intersection of two fuzzy sets of 𝐴 and 𝐵 with the same basis 𝑋 is a fuzzy set of 𝐴 ∩ 𝐵

also determined on the basis of 𝑋 is determined by 𝑇 binary mapping, with the membership

function as follows:

𝜇𝐴∩𝐵 = 𝑇(𝜇𝐴(𝑥), 𝜇𝐵(𝑥)) (2.14)

Union of two fuzzy sets

Combination of two fuzzy sets of 𝐴 and 𝐵 with the same basis 𝑋 is a fuzzy set of A ∪ B

also determined on the basis of 𝑋 determined by 𝑆 binary mapping, with the membership

function as follows:

𝜇𝐴∪𝐵 = 𝑆(𝜇𝐴(𝑥), 𝜇𝐵(𝑥)) (2.19)

Complement of a fuzzy set

Complement of 𝐴 fuzzy set has 𝑋 basis and 𝜇𝐴(𝑥) membership function is a fuzzy set of

�̅� determined on the same basis 𝑋 with membership function:

𝜇�̅�(𝑥) = 1 − 𝜇𝐴(𝑥) (2.24)

2.1.5. Fuzzy composition law

Language Variable

Definition of 2.4 [30]. Language variable is a five set (𝑥, 𝑇(𝑥), 𝑋, 𝑅, 𝑀), in which 𝑥 is

variable name, 𝑇(𝑥) is the set of language values of variables 𝑥, 𝑋 as the platform space,

also known as the basic domain of variable 𝑥, 𝑅 as a rule generating the language values in

𝑇(𝑥), 𝑀 as an assigned semantic rules represented by fuzzy set on 𝑋 for the language words

in 𝑇(𝑥).

Fuzzy composition clause

Fuzzy composite law

2.1.6. Defuzzification

Maximum method

Focus Method

2.1.7. Fuzzy control

2.1.7.1. Model of fuzzy controller

Page 43: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

10

Figure 2.4. Model of MISO fuzzy controller

Theorem 2.1 (Multimeter theorem) [36]: Give 𝑦 = 𝑓(𝑥) multi-variable function with 𝑥 =(𝑥1, … , 𝑥𝑛)𝑇, continuity in the compact domain. Where, with every 𝜀 > 0 arbitrarily given,

always exist fuzzy system 𝑔(𝑥) as Figure 2.4 so that |𝑓(𝑥) − 𝑔(𝑥)| < 𝜀.

The foregoing theorem is a basis of improving the existing active queue management

mechanisms by model of fuzzy controller. In control engineering, MISO fuzzy controller

structure is widely used with fuzzy Mamdani and fuzzy Sugeno.

2.1.7.2. Fuzzy Mamdani

𝑅𝑗: 𝐼𝐹 (𝑥1 is A1𝑗

)AND … AND (𝑥𝑚 is A𝑚𝑗

) 𝑇𝐻𝐸𝑁 (𝑦1 is 𝐵1𝑗), … , (𝑦𝑛 is B𝑛

𝑗) (2.31)

2.1.7.3. Fuzzy Sugeno

𝑅𝑗: 𝐼𝐹 (𝑥1 𝑖𝑠 𝐴1𝑗) 𝐴𝑁𝐷 … 𝐴𝑁𝐷 (𝑥𝑛 𝑖𝑠 𝐴𝑛

𝑗) 𝑇𝐻𝐸𝑁 𝑦 = 𝑓𝑗 = 𝑝0

𝑗+ ∑ 𝑝𝑖

𝑗𝑥𝑖

𝑛𝑖=1 (2.32)

2.2. Analysis of AQM mechanisms using fuzzy logic

2.2.1. Analysis of FEM mechanism

In 2006, C. Chrysostomou et al published FEM active queue management mechanism [14]

[15] by improving RED mechanism based on fuzzy reasoning.

2.2.2. Analysis of FUZE mechanism

In 2008, Xu Changbiao et al proposed FUZREM active queue management mechanism

[74] based on the improvement of REM mechanism by fuzzy controlling tool.

2.2.3. A number of existing problems of AQM mechanism using fuzzy controller

First, the use of triangular function to calculate is simple, but it makes the control not

smooth [56][66]. To overcome this drawback, the thesis offer a solution using the membership

function of bell-shape to represent the values of fuzzy variables in the input and output of the

fuzzy controller.

Second, variable probability value marking packets at the output of the fuzzy controller

is shown qualitative coefficients of people entering the system controller, this value has been

standardized by some mechanisms in paragraph [0,1]. However, in FEM and FUZREM, such

coefficients are statically adjusted, there should be a self-correcting mechanism for output

coefficients for adjusting the value of the packet marking probability of the system

quantitatively, so that probability values are consistent with the status of the network.

Third, reference queue length (𝑞𝑟𝑒𝑓)used in the mechanisms is set fixed value, usually

the threshold is 80% of the capacity of the system (such as buffer size). However, there should

be strategies to build a model to change the reference value automatically to suit the state of

the network. For example, when the transmission line is idle, the low reference value is set

for a small latency in queue, otherwise high reference value is set to limit loss.

Page 44: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

11

Fourth, parameters of the fuzzy controllers (number of membership functions, value of

the membership functions, number of rules, weight of rules) have been fixed from the design

and not change themselves to fit network status.

Fifth, main reason makes AQM mechanisms using fuzzy controller gaining low

performance due to the mechanisms using Fuzzy Mamdani for the traditional fuzzy controller.

According to researchers’ evaluation in the field of automatic control, Fuzzy Mamdani does

not work as well as fuzzy Sugeno, especially in MISO as mentioned above [8] [11] [74].

2.3. Building AFC model to improve AQM

Basing on the problems of mechanisms of fuzzy logic applications in previous active queue

management has been shown above, the thesis proposed an active queue management model

based on adaptive fuzzy control (AFC).

2.3.1. Adaptive fuzzy control (AFC)

2.3.1.1. Model of adaptive fuzzy control (AFC)

p(t)Fuzzy controller TCP/IP

Adaptive

mechanism

Sample

model Gm

ym

+ e

-

e(t) yx

Delay T

e(t-T)

K1

K2

Adaptive fuzzy control AFC

KF G+

-

pk(t)

Figure 2.9. Model of adaptive fuzzy control (AFC)

2.3.1.2. Operation of adaptive fuzzy controller (AFC)

Step 1: Basing on the change of the input according to the number of cycles 𝐺𝑚prototype

determine 𝑦𝑚 reference output (reference queue length, desired transmission bandwidth or a

combination of both coefficients) for the network. 𝑦𝑚 value is set appropriate resource

capacity of the system and network status.

Step 2: Closed-loop control system, 𝑒(𝑡), 𝑒(𝑡 − 𝑇)input values is the deviation of 𝑦 output

compared with 𝑦𝑚reference value will be standardized by the 𝐾1 and 𝐾2 coefficients before

going into the fuzzy controller.

Step 3: Once the input data standardized, data will be sent to the fuzzy controller. Here,

fuzzy control system with components: fuzzy set, rule, inference engine and defuzzification

as described in Section 2.3.3.4 shall operate and calculate packet marking probability value

𝑝(𝑡) .

Step 4: Based on allowed e bias between 𝑦𝑚 reference value and 𝑦 output value and 𝑒(𝑡) actual deviation of the system that the adaptive structure will 𝐾 coefficient at the output of

AFC for appropriate to changeable network conditions and determined 𝑝𝑘(𝑡) = 𝐾. 𝑝(𝑡).

Page 45: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

12

2.3.2. Identifying the input and output variables for AFC

Thesis selects 𝑒(𝑡) value error and the changing ratio of error based on the error value

at previous time of 𝑒(𝑡 − 𝑇) as input on fuzzy controller.

2.3.3. Setting up fuzzy controller for AFC

Fuzzy controller for AFC set up on Fuzzy Sugeno consists of the following components.

2.3.3.1. Input coefficient

1/ ;; 1,2

1/ ( ) ;

m m

i

max m m

y y yK i

y y y y

(2.33)

2.3.3.2. Fuzzy Input

2.3.3.3. Fuzzy inference rule

The rules in the fuzzy controller are based on a formula (2.32) for Fuzzy Sugeno.

2.3.3.4. Output Defuzzification

(a) ( )

( )

c

Yk

c

Y

y y dy

py dy

(b) 1

1

( )

( )

m

j c j

j

k m

c j

j

y y

p

y

(2.34)

2.3.4. Developing a model for AFC

𝑦𝑚(𝑘𝑇) = 𝑦𝑚(𝑘𝑇 − 1) + 𝛼y𝑚𝑎𝑥 (2.35)

2.3.5. Developing an adaptive mechanism for KFC

𝐾(𝑡 + 1) = 𝐾(𝑡) − 𝜀(𝑦𝑚 − 𝑦(𝑡)) (2.38)

2.4. Improving RED mechanism by (AFC) adaptive fuzzy control

2.4.1. Fuzzy input variables of FLRED

Using the generally improved model as shown in Figure 2.9, with 𝑇 the sampling cycle.

with 𝑄𝑒(𝑡) = 𝑇𝑄𝐿 − 𝑞(𝑡), 𝑄𝑒(𝑡 − 𝑇) = 𝑇𝑄𝐿 − 𝑞(𝑡 − 𝑇) deviation of instantaneous queue

length compared with the reference queue (𝑇𝑄𝐿) at the sampling cycle and at the previous

sampling cycle.

Figure 2.10. Function for variable 𝑄𝑒(𝑡)

Figure 2.11. Membership function of

variable 𝑄𝑒(𝑡 − 𝑇)

2.4.2. Fuzzy output variable of FLRED

Output language variable in the fuzzy controller of FLRED mechanism is 𝑝(𝑡) packet

marking probability .

Page 46: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

13

2.4.3. FLRED fuzzy rule system

If 𝑄𝑒(𝑡) = 𝜇(𝑒(𝑡))𝑖 and 𝑄𝑒(𝑡) = 𝜇(𝑒(𝑡 − 𝑇))𝑗 Then 𝑝(𝑡) = 𝜇(𝑝(𝑡))𝑘

in which, 𝑖, 𝑗 = −3,3̅̅ ̅̅ ̅̅ , and 𝑘 = 𝑓(𝑖, 𝑗) = 𝑖 − 𝑗 + 1, if 𝑖 − 𝑗 + 1 > 3 then 𝑓(𝑖, 𝑗) = 3 and if

𝑖 − 𝑗 + 1 < −3 then 𝑓(𝑖, 𝑗) = −3. (𝑖 − 𝑗) expression shows variables of queue using level at

the two times (𝑡) and (𝑡 − 𝑇).

Basing on the index of the value domains of language variables for input and output in

Table 2.7 to set up the legal system as Table 2.8.

Table 2.8. FLRED fuzzy rule system

𝑝(𝑡) 𝑄𝑒(𝑡 − 𝑇)

NB NM NS ZE PS PM PB

𝑄𝑒(𝑡)

NB VS S B VB H H H

NM T VS S B VB H H

NS Z T VS S B VB H

ZE Z Z T VS S B VB

PS Z Z Z T VS S B

PM Z Z Z Z T VS S

PB Z Z Z Z Z T VS

2.4.4. Inference curved surface of FLRED

Figure 2.12. inference curved surface of FLRED mechanism

2.4.5. Illustration on FLRED fuzzy system’s output calculation

2.5. Improvement of REM mechanism with adaptive fuzzy control (AFC)

2.5.1. Fuzzy input variables of FLREM

The goal of REM mechanism is to gain high efficiency of transmission use, low packet

loss, and small latency queue. REM uses congestion measurement unit called "ratio"

calculated from the operating parameters of the system.

𝑃𝑟(𝑡) = 𝑃𝑟(𝑡 − 𝑇) + 𝛾(𝑇𝑄𝐿 − 𝛼(𝑞(𝑡)) + (𝑇𝐵𝑊 − 𝑥(𝑡))) (2.39)

Therefore, we use two inputs, one for the sample of the present time 𝑃𝑟(t) and one for the

sample at the time of the previous cycle 𝑃𝑟(t − T). The value of 𝑃𝑟(t) and 𝑃𝑟(t − T)

Page 47: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

14

normalized in the interval [-1,1], thanks to the input coefficients in the formula (2.33).

Figure 2.14. Membership function of input

variable 𝑃𝑟(𝑡)

Figure 2.15. Membership function of input

variable Pr(t-T)

2.5.2. Fuzzy output variable of FLREM

The language values in the variable output of the fuzzy controller represent 9 levels of

packet rejecting probability, as determined and presented in Table 2:12 as follows:

2.5.3. Setting up inference rules for FLREM

FLREM’s fuzzy rule is set up in the general form: If 𝑒(𝑡) = 𝜇(𝑒(𝑡))𝑖 and 𝑒(𝑡 − 𝑇) =𝜇(𝑒(𝑡 − 𝑇))𝑗 then 𝑝(𝑡) = 𝜇(𝑝(𝑡))𝑘. In which, 𝑖, 𝑗 = −4,4̅̅ ̅̅ ̅̅ , 𝑘 = 𝑓(𝑖, 𝑗) = 𝑖 − 𝑗+1, if 1 + 𝑖 −

𝑗 > 4 then 𝑓(𝑖, 𝑗) = 4, if 1 + 𝑖 − 𝑗 < −4 then 𝑓(𝑖, 𝑗) = −4.

Table 2.14. FLREM’s fuzzy rule system

𝑝(𝑡) 𝑃𝑟(𝑡 − 𝑇)

NH NB NM NS ZE PS PM PB PH

𝑃𝑟(𝑡)

NH MS S B MB VB H H H H

NB VS MS S B MB VB H H H

NM T VS MS S B MB VB H H

NS Z T VS MS S B MB VB H

ZE Z Z T VS MS S B MB VB

PS Z Z Z T VS MS S B MB

PM Z Z Z Z T VS MS S B

PB Z Z Z Z Z T VS MS S

PH Z Z Z Z Z Z T VS MS

2.5.4. Inference curved surface of FLREM

Figure 2.16. Inference curved surface of FLREM mechanism

Page 48: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

15

2.6. Simulation and evaluation of effectiveness of FLRED mechanism and FLREM

mechanism

Simulation of AQM mechanisms is implemented on NS2 software [40], this software is

most widely used, trusted and recognized by the research community [46] [55] [58].

2.6.1. Setting and simulation of FLRED mechanism and FLREM mechanism

2.6.1.1. Programming for FLRED mechanism and FLREM mechanism

The program for FLRED and FLREM includes files of FLRED.h, FLRED.cc, FLREM.h

and FLREM.cc; presented in Appendix

2.6.1.2. Process of simulation and evaluation of AQM mechanisms

2.6.1.3. Criteria for performance evaluation of AQM mechanisms

2.6.2. Stability evaluation of FLRED mechanism and FLREM mechanism

2.6.2.1. Single receptor network model

Router A Router B

(C1,d1)

(C2,d2) (C3,d3)

N Sources

Destination

N lines

Figure 2.17. Single receptor simulation network model

2.6.2.2. Queue control of FLRED mechanism and FLREM mechanism

The simulation results of the mechanism based on queue length are RED, FEM and FLRED

shown in Figure 2.18 and Figure 2.19, indicating the improved RED mechanism using fuzzy

control as FEM and FLRED which are always able to control the queue more stable than the

traditional RED mechanism thank to the fuzzy controller of the mechanisms controlling queue

based on reference queue that means making the instantaneous fluctuating around the

reference queue (200 packets).

Figure 2.18. Queue control of RED and FLRED

In addition, the graph of Figure 2.19 shows that FLRED mechanism has range (less than

70 packets) smaller than FEM mechanism (more than 100 packets).

Page 49: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

16

Figure 2.19. Queue control of FEM and FLRED

Similarly, fuzzy controller (FUZREM, FLREM) are used when simulating REM

mechanism and improved REM mechanism, results in Figure 2.20 and Figure 2.21 show

REM mechanism of queue control are not stable, range of REM queue length is more than

150 packets. In contrast, FUZREM and FLREM mechanisms can maintain the instant queue

length at network nodes rather stably, range of queue length of these two mechanisms is less

than 100 packets.

Figure 2.20. Queue Control of REM and FLREM

The graph of Figure 2.21 shows the comparison of queue control of FUZREM and FLREM

mechanisms. Because FLREM uses Fuzzy Sugeno with 9 bell-shaped functions as fuzzy input

values, the precision is increased and queue range of FLREM is less than 50 packets. This

makes FLREM has queue stability better than FUZREM with range more than 70 packets.

Figure 2.21. Queue control of FUZREM and FLREM

The results of foregoing simulation and analysis show that queue length control efficiency

of mechanisms are better and better when using traditional fuzzy controller and adaptive fuzzy

controller to improve active queue management mechanisms.

2.6.2.3. Responsiveness of FLRED and FLREM mechanisms

Response of queue management mechanisms is based on queue length shown in Figure

Page 50: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

17

2.22 and Figure 2.23. It also shows stable levels of queue length of the mechanisms using

fuzzy logic compared to the mechanisms not using fuzzy logic. RED mechanism needs 20

seconds to stabilize the queue while reducing half of passes at the 40th second, the number in

FEM is 10 seconds and FLRED is 6 seconds. In case of increased load on the network, by

increasing the number of connections to 100 at 70 seconds, RED mechanism needs more 10

seconds to stabilize, FEM mechanism needs 5 seconds and FLRED mechanism needs 3

seconds.

Figure 2.22. Responsiveness of RED and FLRED

The Graph of Figure 2.23 shows the quick responsiveness of FEM and FLRED

mechanisms when the network environment changes over time. Accordingly, FLRED

mechanism has response times less than FEM mechanism when load increase as well as load

decrease. In addition, the range of FLRED mechanism is lower than FEM mechanism, in all

the circumstances of load change. This has shown effectiveness when using Fuzzy Sugeno

with the bell-shaped function and adaptable components in FLRED mechanism.

Figure 2.23. Responsiveness of FEM and FLRED

Similarly, Figure 2.24 and Figure 2.25 show responsiveness of the queue management

mechanisms based on queue length and traffic load.

Figure 2.24. Responsiveness of REM and FLREM

Page 51: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

18

On the other hand, the Graph of Figure 2.25 shows, the decrease or increase of connection

flow to the network, the recovery time to the steady state at the reference queue length of

FLREM mechanism less than FUZREM mechanism, when load increase as well as load

decrease. In addition, in the case of connection flow change, the range of FLREM (100

packets) is less than FUZREM (over 100 packets).

Figure 2.25. Responsiveness of FUZREM and FLREM

Basing on the results of the simulation settings and graph figures show that responsiveness

of the active queue management mechanisms is accelerated, while the queue management

mechanisms using traditional fuzzy controller and adaptive fuzzy controller in turn are set at

network nodes.

2.6.3. Performance evaluation of FLRED mechanism and FLREM mechanism

2.6.3.1. Multi-receptor network model

Router A

(a Mbps, g ms)

Sources

N lines

Router B Destination

M lines

SendReceive

(a Mbps, g ms)

(a Mbps, g ms)

Figure 2.26. Multi-receptor simulating network model

2.6.3.2. Evaluation of packet loss ratio of FLRED mechanism and FLREM mechanism

Figure 2.27. Packet loss ratio of AQM mechanism

This result is consistent with the working principles of the traditional fuzzy controllers and

Page 52: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

19

adaptive fuzzy controllers. With adaptive fuzzy control, in addition to using Fuzzy Sugeno,

there is also an adaptive mechanism to adjust the packet marking probability matching the

network changes.

2.6.3.3. Evaluation of transmission line using level of FLRED and FLREM

Basing on the graph, it is shown that the improved mechanisms (FEM, FUZREM, FLRED

and FLREM) has packet loss ratio lower than the traditional mechanisms (RED and REM).

Figure 2:28. Transmission line using level of AQM mechanism

In all cases, RED mechanism always has the min transmission line using level and FLREM

mechanism always has the max transmission line using level. This result thanks to the

criterion convergence of FLREM mechanism when processing the packets to the network

nodes. Besides, the succession of REM mechanism when considering the influence of the

queue length and packet flow, FLREM mechanism is also improved by adaptive fuzzy

controller, while RED only uses queue length element to calculate the packet marking

probability.

2.7. Conclusion of the Chapter

The congestion control by the active queue management mechanisms at the routers is

essential. In recent years, the scientists have introduced the fuzzy control to the active queue

management mechanisms for these mechanisms operating more efficiently. However, the

improvements using Fuzzy Mamdanis with triangular membership functions to simplify the

calculations, but the control of the system is not smooth and fuzzy systems have been fixed

as of design, so they are not highly adaptive to the system of kinetics, nonlinear and

complexity of TCP/IP network. To overcome this shortcoming, the thesis has developed

adaptive fuzzy controller (AFC) and fuzzy Sugeno with bell-shaped function, and added

adaptive components to adapt to the changeable network conditions.

Basing on the theoretical model, the thesis sets up improved mechanisms of FLRED,

FLREM. The mechanisms of FLRED, FLREM respectively are improvements of RED and

REM mechanisms by adaptive fuzzy controller (AFC). Through the simulation setting

process, it shows the effectiveness of active queue management mechanisms is increased, the

packet loss ratio is reduced, the transmission using level and network stability is better, thanks

to using traditional fuzzy controller and adaptive fuzzy controller in turns for the mechanisms.

However, in order the that the mechanisms improved by adaptive fuzzy controller (AFC)

work more effectively, there should be optimal parameters for the mechanisms. This has set

training needs for adaptive fuzzy controller (AFC) by neural networks. Through the training

process, the system receiving knowledge and updating the parameters to match the change in

network. This issue is discussed in Chapter 3 of the thesis.

Page 53: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

20

CHAPTER 3.

INTEGRATED FUZZY REASONING AND NEURAL NETWORKS

TO ENHANCE PERFORMANCE OF ACTIVE QUEUE MANAGEMENT

3.1. Overview of artificial neural network

3.1.1. Processing unit (neuron)

3.1.1.1. Links in neural network

3.1.1.2. Learning process of neural network

3.1.2. Single layer direct transmission neural network

3.1.2.1. Single layer perceptron network

3.1.2.2. Learning process of single layer direct transmission neural network

3.1.3. Multi-layer direct transmission neural network

3.1.3.1. Back propagation algorithm

3.1.3.2. Network training upon back propagation algorithm

3.2. Combining fuzzy control and neural network

3.2.1. Combination foundation

3.2.2. Combined models

3.3. Setting up (FNN) fuzzy neural network model improved by AQM mechanism

The Chapter 2 has presented the construction of adaptive fuzzy controller (AFC) to

improve AQM mechanisms and has brought more effective to the mechanisms. However, in

order that the adaptive fuzzy controller (AFC) is more effective, there must be the optimum

parameters for AFC. Thesis proposed fuzzy neural model, referred to as FNN to solve this

problem.

3.3.1. (FNN) fuzzy neural network model improves AQM mechanism

3.3.1.1. Fuzzy neural network model (FNN)

Yes

Yes

e(t)

No

pk(t)

e(t-T)

Initialization

Initialization

Fuzzy controller AFC

Training with IBP

Object

TCP/IP

Error

ym-y

Minimum

error?Optimize?

y

No

End

Sample data

Delay, T

FNN

e(t), e(t-T), y

Figure 3.6. Fuzzy neural network model (FNN) improves AQM

Page 54: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

21

3.3.1.2. Operation of fuzzy neural network (FNN)

Step 1: Adaptive fuzzy controller (AFC) shall calculate the input values of 𝑒(𝑡), 𝑒(𝑡 − 𝑇)

as the deviation of 𝑦 output with 𝑦𝑚reference value and standardized in paragraph [−1,1] thanks to the input coefficients, before introducing into the fuzzy system.

Step 2: AFC conducts fuzzy input values, using fuzzy rules and defuzzification to calculate

probability 𝑝(𝑡). This probability is dynamically adjusted by output coefficient for the net

probability of marking/dropping packets 𝑝𝑘(𝑡).

Step 3: The data at the output of AFC is collected as data sample for training process by

back-propagation algorithm improving IBP. Valid data sample is the ones in the form of

{𝑒(𝑡), 𝑒(𝑡 − 𝑇), 𝑦} updated by T operation cycle of AFC.

Step 4: If the minima error is smaller than or equal to the optimal error (𝐸𝑚𝑎𝑥in IBP), the

system is optimized and ends, opposite FNN trains AFC by IBP to find the optimal parameter

for AFC.

3.3.2. Setting up fuzzy neural network (FNN)

3.3.2.1. Creating fuzzy neural for FUZZY NEURAL NETWORK (FNN)

3.3.2.2. Construction of Fuzzy neural network (FNN)

3.3.2.3. Training fuzzy neural network (FNN)

3.3.2.4. Adjusting membership function parameters of AFC

3.3.3. Improving back-propagation algorithm

3.3.3.1. Standardizing input and output data

3.3.3.2. Adding coefficient of inertia

3.3.3.3. Adjusting learning speed

3.3.3.4. Improved back-propagation algorithm

Step 1: Initializing training, step initializes tolerance a, η and 𝐸𝑚𝑎𝑥

Step 2: Processing learning sample and calculating output values, to perform an iterative

process for the network training in learning form 𝑘, Conveniently spread from input layer to

output layer.

Step 3: Calculating error at 𝐸(𝑡) at output by the formula (3.11) and back propagation from

output to input.

Step 4: Checking error at 𝐸(𝑡) in output, if 𝐸(𝑡) ≤ 𝐸𝑚𝑎𝑥 means model with acceptable

error, Ending the learning course and giving out the final weight. However, checking the

repeatability conditions (𝐸𝑝𝑜𝑐ℎ < 𝐸𝑝𝑜𝑐ℎ𝑚𝑎𝑥) for the next sample.

3.4. Setting up active queue management mechanism of FNNRED

The goal of setting up FNNRED mechanism is to find optimal parameters for FLRED

mechanism built in Chapter 2, by using FNN to train FLRED.

3.4.1. Setting FNNRED mechanism

The simulation program of FNNRED mechanism includes files: FNN.h, FNN.cc, FNN.tcl,

FNNRED.h, FNNRED.cc, FNNRED.tcl. The programs are presented in Appendix A

Page 55: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

22

3.4.2. Training FNN in FNNRED

Figure 3.10. Training model for FNNRED

Figure 3.13. Inference surface of

FNNRED after training

3.4.3. Training result of FNN in FNNRED

Figure 3.11. 𝑄𝑒(𝑡) after training

Figure 3.12. Qe (t-T) after training

3.5. Setting up active queue management mechanism of FNNREM

The goal of setting up FNNREM is to find out optimal parameter set for FLREM

mechanism developed in Chapter 2, by using IBP for training.

3.5.1. Setting FNNREM mechanism

Simulation program of FNNREM mechanism includes files: FNN.h, FNN.cc, FNN.tcl,

FNNREM.h, FNNREM.cc, FNNREM.tcl. These files are presented in Appendix A.

3.5.2. Training FNN in FNNREM

Figure 3.14. Training model for FNNREM

Figure 3.17. Inference surface of

FNNREM after training

Page 56: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

23

3.5.3. Training result of FNN in FNNREM

Figure 3.15. Membership functions of

𝑃𝑟(𝑡) after training

Figure 3.16. Membership functions of

𝑃𝑟(𝑡 − 𝑇) after training

3.6. Effectiveness evaluation simulation of FNNRED and FNNREM

3.6.1. Stability evaluation of FNNRED and FNNREM

3.6.1.1. Queue control of FNNRED and FNNREM

The Graph of Figure 3.18 shows that FNNRED mechanism has the range (less than 50

packets) smaller the range of FEM mechanism (more than 100 packets). Graph of Figure 3.19

goes on demonstration FNNRED mechanism which is capable of queue control better than

FLRED mechanism, although FLRED has rather small range (less than 70 packets).

Figure 3.18. Queue control of FEM and FNNRED mechanisms

Figure 3.19. Queue control of FLRED and FNNRED mechanisms

Similarly, when simulating the mechanisms to improve REM mechanism using fuzzy

controller (FUZREM, FLREM, FNNREM), results in Figure 3.20 and Figure 3.21 show that

the mechanisms have the rather small range of queue length. Figure 3.20 shows the difference

in the queue range between FNNREM mechanism and FUZREM mechanism and Figure 3.21

shows the difference in the queue between FNNREM mechanism and FLREM mechanism.

Page 57: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

24

Figure 3.20. Queue control of FURZEM and FNNREM mechanisms

Figure 3.21. Queue control of FURZEM and FNNREM mechanisms

From the results of foregoing simulation and analysis, it is shown that the queue length

control efficiency of the mechanisms is better and better when using adaptive fuzzy controller,

FNN to improve the active queue management mechanism.

3.6.1.2. Responsiveness of FNNRED and FNNREM

Responsiveness of queue management mechanisms based on queue length is shown in

Figure 3.22 and Figure 3.23. FEM mechanism needs 10 seconds to stabilize the queue while

reducing the flow in half (reduction) in the 40th second, this figure is 6 seconds for FLRED

and 4 seconds for FNNRED. The result is similar at the 70th seconds, increasing the number

of flows to 100 (increasing load), FEM needs 5 seconds for queue stability, FLRED and

FNNRED need 3 seconds. On the other hand, in both cases, causing loading fluctuation of

the network, the range of the queue length of FNNRED is always lower than FEM and

FLRED.

Figure 3.22. Responsiveness of FEM and FNNRED

Page 58: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

25

Figure 3.23. Responsiveness of FLRED and FNNRED

Response time and queue range FNNREM mechanism is always minimum, in both cases

of the load decrease and the load increase. This is achieved because FNNREM uses optimal

fuzzy control for training and updating the fuzzy system parameters so that the output of the

system may reach the most desired values.

Figure 3:24. Responsiveness of FUZREM and FNNREM

Figure 3.25. Responsiveness of FLREM and FNNREM

Basing on the results of the simulation settings and graph figures, it is shown that response

time and range of the queue declined as the queue management mechanisms using traditional

fuzzy controller, adaptive fuzzy controller and FNN applied in turns at the network nodes in

turn applied to improve these mechanisms.

3.6.2. Performance evaluation of FNNRED and FNNREM

3.6.2.1. Packet loss ratio evaluation of FNNRED and FNNREM

Figure 3.26 performs data of Table B.5 and Table B.6 of Appendix B, it shows the packet

loss ratio of active queue management mechanisms using fuzzy control. From the graph, it

shows that when the queue length in the router increases, the packet loss ratio of mechanisms

is reduced and when increasing number of connection flows to the router, the packet loss ratio

Page 59: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

26

increases.

Figure 3.26. Packet loss ratio of mechanisms using fuzzy control

This proves that the packet loss ratio of AQM mechanisms in simulation depends heavily

on the fuzzy controllers used. From the graph in Figure 3.26, it is found that when improving

in the same traditional mechanism (RED, REM), which mechanism using adaptive fuzzy

control (AFC) will have a lower loss ratio compared to the mechanism using traditional fuzzy

controller, but it has a packet loss ratio higher than the mechanisms using FNN.

3.6.2.2. Transmission line using level evaluation of FNNRED and FNNREM

Figure 3.27. Transmission line using level of mechanism using fuzzy control

Basing on the graph, it shows the partition of mechanisms on the extent of the transmission

line. In both graphs of Figure 3.27, transmission line using level is increasing from group

mechanisms using traditional fuzzy controller (such as FEM, FUZREM), followed by a group

of mechanisms using AFC like (as FLRED, FLREM) to group of mechanisms using FNN

(like FNNRED, FNNREM). This is consistent with the results of theoretical analysis, when

AFC using Fuzzy Sugeno with adjustment mechanism of output parameter K and methods of

determining Gm sample for target values, and FNN is built from AFC by training to get the

value set for the optimized parameter, so that the deviation of the output values of the system

compared to the expected values is minimal.

3.7. Conclusion of the Chapter

This program solves the problem posed at the end of Chapter 2, which is how to get the

best parameter set for adaptive fuzzy control (AFC), and this is also the third goal of the thesis.

To solve this problem, the author has proposed combining fuzzy logic with neural networks

for modeling fuzzy neural network (FNN) for improving the performance of active queue

management mechanisms. Basing on this model, the thesis continues to improve active queue

management mechanisms set up in Chapter 2. The result of the combination is illustrated by

Page 60: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

27

the construction of two mechanisms of FNNRED and FNNREM by training fuzzy neural

network (FNN) by improved back-propagation algorithm (IBP) for the two mechanisms,

FLRED and FLREM.

To test the effectiveness of the FNN for FNN, thesis sets up simulation and evaluation

improved mechanisms using traditional fuzzy controller (FEM, FUZREM), the mechanisms

using adaptive fuzzy controller (FLRED, FLREM) and the mechanisms applying FNN

(FNNRED, FNNREM). Simulation setting is performed upon the popular network models

and extensive network models as done in Chapter 2. The simulation results show that: when

improving active queue management mechanisms with traditional fuzzy controller, adaptive

fuzzy controller (AFC) and FNN, the stability and performance of the existing mechanisms

in a better direction.

However, the fuzzy controller in the improved mechanisms still depends on the knowledge

of experts, so the performance of these mechanisms is not really the best. To overcome this

limitation, it is necessary to have knowledge from large data source for the training process.

This means that it requires a memory space and a long implementing time. On the other hand,

using training neural network to find FNN in the available adaptive fuzzy controller, but not

seek for the best fuzzy controller. These problems will be further improved in the thesis’s

development.

CONCLUSIONS AND DEVELOPMENTS

Conclusion of the thesis

Congestion control is an important task over TCP/IP network. Using algorithm only for

the traditional congestion control over TCP/IP network is not enough to meet the quality,

because this is the passive congestion control algorithm in the terminal. Hence, the need to

study the controlling congestion mechanisms in the network nodes to ensure system stability,

to provide better network service quality for users. One of the research plans is to develop

active queue management mechanisms.

The goal of active queue management is to maintain a reasonable packet rejecting

probability to limit congestion while ensuring the quality of the flows and fairness in relations

between the flows when the dynamic status of the network changes. However, active queue

management mechanisms currently still need to be improved to simplify when implementing

and improve intelligence in maintaining the average queue length. Therefore, the thesis

focuses on studying for improving queue management mechanisms at the network nodes,

based on the application of the achievements of computer science in particular of soft

computing field to supplement learning possibilities, smart decision-making capabilities for

queue management system at the network nodes.

The thesis has made some new contributions to improving the active queue management

mechanisms at TCP/IP network nodes in which setting up adaptive fuzzy control (AFC) and

setting up fuzzy neural network (FNN) to figure out the parameter set of FNN for adaptive

fuzzy controller (AFC). These new contributions are as follows:

Analyze, evaluate and layer applications for active queue management mechanisms,

including solutions of applied traditional fuzzy controller to improve typical active queue

management mechanisms to improve congestion control efficiency in TCP/IP network.

Propose adaptive fuzzy control model to improve active queue management

mechanisms. Basing on the theoretical model, the thesis has set up the improved mechanisms

Page 61: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

28

of FLRED and FLREM. Simulation setting result has proved the using effectiveness of using

adaptive fuzzy control (AFC) to improve queue management mechanisms.

Recommend the combining model of fuzzy reasoning and neural network to set up FNN

to enhance the effectiveness of active queue management mechanisms. Basing on theoretical

models, the thesis has set up the improved mechanisms of FNNRED, FNNREM. Two

mechanisms are obtained by using fuzzy neural network (FNN) training mechanisms of

FLRED and FLREM. Simulation setting result shows that the performance of the improved

mechanisms when using FNN.

From the results of theoretical research and verification by simulation settings, it shows the

performance of active queue management mechanisms at the network nodes is increasing

when applying the traditional fuzzy controllers, adaptive fuzzy control (AFC) and FNN to

improve these mechanisms.

Thesis’s developing plan

To overcome the issues raised at the end of Chapter 3 of the thesis, we will continue to

improve FNN to provide a better performance for active queue management mechanisms. In

addition, we will consider the possibility of combining the fuzzy logic, neural networks and

other tools of soft computing technique (such as evolutionary computation, probabilistic

reasoning) to set up the new active queue management mechanism.

The search for FNN requires optimal searching technique on large data sources. The

advantage is finding the optimal area. The evolution technique will be a viable option for

combination with neural networks to develop optimal search techniques in the future.

Therefore, we will continue to aim to build FNNE architecture (Fuzzy Neural Network

Evolution), as the development of FNN by adding Evolutional computing tools to find FNN

for improved system of active queue management mechanisms.

In parallel with the evaluation of research results based on the simulation, testing them in

real network environment will be particularly concerned to verify the simulation results and

to look for opportunities to apply research results into practice.

LIST OF PUBLISHED WORKS OF THE THESIS

[CT1]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu (2012) “Performance evaluation of some active queue

management mechanisms based on queue size and loading”, Scientific Journal- Hue University,

Vol. 74A, No. 5, pp 109-119.

[CT2]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2013), “Proposed active queue

management mechanisms on high-speed network environment”, Proceedings of the National

Science Conference VI - FAIR “Fundamental and application information technology research”,

Thua Thien Hue,Viet Nam, pp. 108-115.

[CT3]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2013), “Fuzzy Logic Control

for SFB Active Queue Management Mechanism”, Proceedings of the International

Conference on Context-Aware Systems and Applications (ICCASA), Vol. 128, No. 3, pp. 97-

104.

[CT4]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2014), “Improving control

mechanism at routers in TCP/IP networks”, Scientific Journal of EAI (European Alliance for

Innovation), ISSN 2409-0026, Vol. 1, pp. 52-66.

[CT5]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2014), “Improvements the control

mechanisms at network node”, Journal of Science ang Technology- Vietnam Academy of Science ang

Technology, Vol. 52, No. 4D, pp 77-92.

Page 62: I H C HU NG I H C KHOA H C - hueuni.edu.vn · tính toán mềm, logic mờ được xem là công cụ tốt nhất thể hiện được tri thức của con người, nhờ vào

29

[CT6]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2014), “Proposed improvements

control mechanism at network node in high-speed network environment”, Proceedings of the

National Science Conference VI - FAIR “Fundamental and application information

technology research”, Thai Nguyen, Viet Nam, pp. 545-556.

[CT7]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2015), “Model Integrating

Fuzzy Argument with Neural Network Enhancing the Performance of Active Queue

Management”, Scientific Journal of EAI (European Alliance for Innovation), ISSN 2409-

0026, vol. 2, issue 4, pp. 12-22.

[CT8]. Nguyen Kim Quoc, Vo Thanh Tu, Nguyen Thuc Hai (2015), “Some Improvements

on Active Queue Management Mechanism Based on Adaptive Fuzzy Control”, Scientific

Journal of EAI (European Alliance for Innovation), ISSN 2409-0026, vol. 2, issue 5

[Accepted]