Luận văn Xây dựng hệ các điều kiện giới hạn phục vụ phân bố lưu lượng dịch vụ IP internet

các hệ thống QoS Middleware khác nhau. Ví dụ, trong QoSME, QoS được mô tả qua ngôn ngữ đảm bảo QoS (QuAL) 51 [77]; trong Agilos, QoS được định nghĩa qua các quy tắc và các chức năng tương ứng [22]; trong khi ở trong Q-RAM, QoS được trình bày bởi các chức năng sử dụng tài nguyên [83]. Tuy nhiên các đặc điểm QoS của ứng dụng có chung các đặc tính về đặc điểm QoS của một ứng dụng cụ thể, định dạng QoS của ứng dụng thì được thay đổi theo từng nhóm ứng dụng và đặc điểm QoS mức ứng dụng được biên dịch thành tham số QoS mức hệ thống. Đối với các ứng dụng chạy trong môi trường có kích thước lớn, đặc điểm QoS của chúng được biểu diễn bao gồm Mô tả ứng dụng (chi tiết hóa một tập thành phần hệ thống tham gia, các tham số QoS chuyển đổi từ mức QoS người sử dụng cảm nhận được), Các chính sách tương thích ứng dụng (chỉ ra điều kiện ứng dụng phải tương thích) và Mẫu trạng thái của ứng dụng (các thông tin trạng thái cần thiết khi ứng dụng có thể tạm dừng hoặc khôi phục). Hệ thống Middleware hỗ trợ môi trường lập trình QoS, giúp người phát triển ứng dụng xác định định dạng đặc điểm QoS của ứng dụng. b.) Biên dịch QoS Sau khi nhận các đặc tính QoS của ứng dụng, bộ biên dịch QoS chuyển các đặc tính này thành một cơ sở dữ liệu QoS. Cơ sở dữ liệu QoS bao gồm các cấu hình ứng dụng có thể, ấn định tài nguyên, chính sách tương thích ứng dụng, mẫu trạng thái ứng dụng và được thực hiện bởi hệ thống middleware (giống biên dịch chương trình, mã nguồn) để thiết lập, phân phối và tương thích ứng dụng QoS. Với đặc tính QoS như mã nguồn, bộ biên dịch QoS tiếp tục các bước sau: + Bước 1: Dịch các đặc tính QoS thành một tập các biểu đồ chức năng của ứng dụng. + Bước 2: Kết hợp biểu đồ chức năng ứng dụng với các thành phần dịch vụ thích hợp của hệ thống bao gồm các thành phần thực hiện chức năng đặc điểm theo miền, nhưng độc lập với ứng dụng (các bộ giám sát CPU, buffer hay thu phát RTP). + Bước 3: Ấn định tài nguyên “đầu cuối-đầu cuối” cho các thành phần ứng dụng trong mỗi biểu đồ chức năng ứng dụng với cấu hình ứng dụng (tính tài nguyên 52 hay thăm dò tài nguyên). Bộ biên dịch QoS chỉ xác định việc ấn định các tài nguyên “đầu cuối-đầu cuối” tối thiểu cho mỗi cấu hình của ứng dụng. c.) Thiết lập QoS Sau khi biên dịch QoS, các thành phần của ứng dụng được cài đặt trên server hoặc client của ứng dụng. Middleware sẽ chạy trên các host, cơ sở dữ liệu QoS ban đầu được lưu trữ trong QoSProxy của Server ứng dụng. Khi chạy ứng dụng, các phần của cấu hình QoS được tải về QoSProxy của mỗi client. Quá trình thiết lập QoS bắt đầu khi người sử dụng bắt đầu một ứng dụng có yêu cầu QoS và kết thúc khi ứng dụng bắt đầu chạy. Các thực thể tham gia vào quá trình này được chỉ ra trong hình 3-3. Trong giai đoạn thiết lập QoS, Middleware lựa chọn một trong số các cấu hình đã xác định từ trước, phụ thuộc vào yêu cầu QoS của người sử dụng và điều kiện tài nguyên hiện có. Hình 3-3. Các thành phần mạng tham gia quá trình thiết lập QoS Các bước chính trong giai đoạn thiết lập QoS gồm: Phát hiện dịch vụ; Lựa chọn cấu hình ứng dụng và ấn định tài nguyên. Mô tả cụ thể các bước như sau: + Bước 1 (phát hiện dịch vụ): Khi người sử dụng có yêu cầu cung cấp dịch vụ kèm theo yêu cầu về chất lượng, yêu cầu dịch vụ này được gửi tới hệ thống phát Middleware Middleware Middleware Middleware Server ứng dụng phụ Server ứng dụng Dữ liệu ứng dụng Dữ liệu ứng dụng đã tương thích Điều khiển dịch vụ Kết quả/hàng đợi DA hoặc mạng các DA Điều khiển dịch vụ Kết quả/hàng đợi Dữ liệu ứng dụng Client ứng dụng Client ứng dụng C: Thành phần ứng dụng RB: Tương thích tài nguyên Hệ thống phát hiện dịch vụ: SA: tác tử dịch vụ UA: Tác tử người sử dụng DA: Tác tử thư viện QoSProxy QoSProxy QoSProxy QoSProxy 53 hiện dịch vụ. Hệ thống phát hiện dịch vụ sẽ nhận yêu cầu dịch vụ và gửi lại tập các server điều khiển dịch vụ. Hệ thống phát hiện dịch vụ bao gồm ba thành phần chính: tác tử người sử dụng (UA), tác tử thư viện (DA) và tác tử dịch vụ (SA). Tác tử UA và SA là một phần của QoSProxy chạy tương ứng trên client và trên server. + Bước 2 (lựa chọn cấu hình ứng dụng): Sau khi Server ứng dụng được phát hiện, middleware tại client thực hiện cấu hình ứng dụng theo yêu cầu của khách hàng dựa trên trên các yêu cầu QoS của người sử dụng và cơ sở dữ liệu QoS. Một cấu hình được lựa chọn có thể gồm các thành phần ứng dụng chạy trên server phụ để thực hiện yêu cầu QoS của khách hàng theo điều kiện tài nguyên mà cấu hình này hướng tới, kể cả việc xác định vị trí của server ứng dụng phụ. + Bước 3 (ấn định tài nguyên): Sau khi lựa chọn cấu hình ứng dụng và xác định các thành phần dịch vụ, Middleware thực hiện ấn định tài nguyên gồm việc tạo lập kế hoạch ấn định tài nguyên “đầu cuối-đầu cuối” theo chiến lược ấn định xác định trong cơ sở dữ liệu QoS rồi gửi kế hoạch ấn định tài nguyên “đầu cuối-đầu cuối” tới server, client và các server phụ khác, được QoSProxy đang chạy trên host gửi đến RB tại chỗ và RB thực hiện việc ấn định thực sự. + Bước 4 (tải cơ sở dữ liệu QoS): QoSProxy phía Client tải hai phần sau của cơ sở dữ liệu QoS từ QoSProxy phía Server về chính sách tương thích dịch vụ và mẫu trạng thái ứng dụng. Chính sách tương thích dịch vụ dùng để tương thích QoS, trong khi mẫu trạng thái ứng dụng để hỗ trợ di chuyển ở mức ứng dụng. Khi bốn bước trên được thực hiện xong, QoSProxy trên mỗi host bắt đầu khởi động các thành phần quy định trong cấu hình đã chọn. Ứng dụng bắt đầu chạy. d.) Các cơ chế điều kiện tương thích QoS Sau khi thiết lập dịch vụ, Middleware có thể thực hiện tương thích QoS trong quá trình chạy ứng dụng và QoS của ứng dụng có thể thay đổi theo độ sẵn sàng thực tế của tài nguyên. Trong trường hợp xấu nhất môi trường có thể không hỗ trợ được việc duy trì tài nguyên, việc tương thích QoS của ứng dụng đang chạy là cần thiết. Tương thích QoS được thực hiện ở cả mức quản lý tài nguyên và quản lý dịch vụ. 54 - Cơ chế tương thích QoS theo tài nguyên (độc lập đối với từng ứng dụng, mỗi kiểu tài nguyên; chỉ dữ liệu ứng dụng được tương thích, không thay đổi cấu hình ứng dụng): Được thực hiện bởi một bộ tương thích tài nguyên điều khiển tất cả các ứng dụng hiện hành chia sẻ tài nguyên chung ở đầu cuối host. - Cơ chế tương thích QoS theo cấu hình thành phần (một phần QoSProxy thực hiện tương thích QoS ở mức cao hơn): Kiểu tương thích QoS này bao gồm thay thế, xóa hay bổ sung thành phần ứng dụng trong cấu hình ứng dụng. Cấu hình thành phần được xác định trong chính sách tương thích ứng dụng có sẵn trong cơ sở dữ liệu QoS. - Cơ chế tương thích QoS theo cấu hình dịch vụ (một phần của QoSProxy thực hiện tương thích QoS theo kiểu “đầu cuối-đầu cuối”): Bộ cấu hình dịch vụ duy trì bảng trạng thái cho mỗi Client, Server và biểu đồ chức năng ứng dụng biểu diễn cấu hình ứng dụng hiện hành nên có thể thay đổi cấu hình ứng dụng đã chọn trong giai đoạn thiết lập QoS. Module xử lý trung tâm thực hiện quyết định tương thích. Để thiết kế bộ điều khiển tương thích, trong phần này trình bày việc áp dụng mô hình luồng tác vụ đề xuất trong [83] cho một hệ thống phân bố, xem xét chuyển đổi mô hình điều khiển cổ điển trong [48] và áp dụng vào mô hình luồng tác vụ của một hệ thống phân bố để đưa ra thuật toán điều khiển tương thích và áp dụng chúng trong middleware tương thích theo ứng dụng. 3.3.3. Áp dụng mô hình điều khiển truyền thống a.) Mô hình tác vụ Mỗi ứng dụng được xem là một tập của các thành phần chức năng, mỗi thành phần chức năng được coi như một tác vụ. Các tác vụ là một khối chức năng sử dụng tài nguyên của hệ thống và thực hiện nhiệm vụ cụ thể để tạo ra kết quả cho một tác vụ tiếp theo hoặc cho đầu cuối người sử dụng [83]. Hình 3-4.a mô tả thành phần chức năng của ứng dụng videostream. Coi ứng dụng videostream trong hệ thống phân bố là một tập của các thành phần chức năng (mã hóa khung, truyền dẫn tín hiệu hay giải mã). Các thành phần chức năng này yêu cầu tài nguyên mạng và hệ 55 thống để thực hiện chức năng xử lý, tạo giá trị điều khiển chức năng tiếp theo. Hình 3-4.b biểu diễn mô hình luồng tác vụ cho hệ thống videostream, mỗi tác vụ là một thành phần chức năng của ứng dụng, mỗi ứng dụng được chuyển đổi thành một biểu đồ luồng tác vụ có hướng không khép kín của nhiều tác vụ. Liên kết hướng từ tác vụ Ti sang tác vụ Tj chỉ ra rằng tác vụ Tj sử dụng kết quả của tác vụ Ti. Để thực hiện một tác vụ Ti thì hệ thống phải cung cấp một lượng tài nguyên nào đó. Hình 3-4. Mô hình luồng tác vụ b.) Từ mô hình điều khiển truyền thống đến mô hình điều khiển tác vụ Mô hình điều khiển truyền thông [48] được mô tả như hình 3-5.a. Trong đó, một đối tượng được điều khiển bởi một “bộ điều khiển”, trạng thái bên trong của đối tượng này được xác định bởi bộ điều khiển theo một thuật toán điều khiển xác định. Thuật toán điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển bằng cách so sánh trạng thái bên trong của đối tượng mà nó quan sát được với giá trị tham chiếu ở đầu vào sao cho đối tượng không bị ảnh hưởng bởi “nhiễu”. Áp dụng mô hình điều khiển truyền thống cho một tác vụ ứng dụng cụ thể, mô hình điển hình về điều khiển tác vụ bao gồm những thành phần như sau: + Tác vụ ứng dụng: Thực hiện một chức năng cụ thể của ứng dụng và được điểu khiển tương thích. + Tác vụ tương thích: Có chức năng giống bộ điều khiển trong mô hình điều khiển truyền thống và thực hiện thuật toán điều khiển. Đầu ra của tác vụ điều khiển Video Server Frame Coder Mạng truyền dẫn Video Frame Decode r Video Player a) Hệ thống VideoStream Nguồn Người sử dụng T2 T3 T4 Tài nguyên b) Mô hình luồng tác vụ cho hệ thống VideoStream 56 là báo hiệu điều khiển ứng dụng và có thể điều khiển từng ứng dụng cụ thể và thực hiện tương thích chất lượng. Hình 3-5. Mô hình điều khiển tác vụ + Tác vụ quan sát: Thực hiện quan sát, đánh giá trạng thái của tác vụ ứng dụng và báo hiệu cho tác vụ tương thích. Trạng thái tác vụ của một tác vụ ứng dụng được xác định bởi các tham số đặc trưng cho tính động bên trong của tác vụ ứng dụng đó. Trạng thái tác vụ quan trọng nhất trong bất kỳ tác vụ ứng dụng nào là tham số liên quan đến yêu cầu tài nguyên. Hình 3-5.b mô tả mô hình điều khiển tác vụ theo lý thuyết điều khiển. Biến đổi động về yêu cầu tài nguyên trong mô hình điều khiển tác vụ được mô tả bằng phương trình có dạng sau [3]:          , , , dx t x t f x t u t w t t dt      (3.1)      , ,z t h x t t t    (3.2) Với mô hình trên, các yêu cầu tài nguyên khi thực hiện một ứng dụng được coi là cân bằng khi [3]:        0 , , ,x t f x t u t w t t     (3.3) Nhiễu Tín hiệu điều khiển Đầu vào tham chiếu Lỗi Đầu ra Thiết bị Bộ điều khiển Đường phản hồi a) Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển cổ điển Tác vụ ứng dụng Tác vụ tương thích Tác vụ quan sát Đầu vào tham chiếu Giá trị điều khiển Trạng thái tác vụ Lớp ứng dụng Lớp Middleware Giá trị quan sát b) Mô hình điều khiển tác vụ theo lý thuyết điều khiển 57 Ở đây, x ký hiệu cho vector trạng thái của tác vụ, u là vector các tham số đầu vào có thể điều khiển được, z là vector các tham số đầu ra quan sát được của tác vụ, w là các biến không điều khiển được của tác vụ và v là vector lỗi quan sát. Mô hình tổng quát trên(có thể phi tuyến và biến đổi theo thời gian) là quá phức tạp để xem xét một thuật toán điều khiển phù hợp.Vì vậy để đơn giản,hàm biến đổi động về yêu cầu tài nguyên của tác vụ ứng dụng được đơn giản hóa bằng các hàm tuyến tính rời rạc và yêu cầu tài nguyên của ứng dụng có thể được mô tả [3]:        1 1 1x k x k u k w k       (3.4)    y k x k (3.5)      z k y k k  (3.6) Với k = 1,,kmax là các khoảng thời gian; Φ, Г, H là các hệ số rời rạc của hệ thống; y là vector các tham số đầu ra quan sát không có lỗi của tác vụ. Với mô hình yêu cầu tài nguyên của ứng dụng trên, mô hình điều khiển tác vụ rời rạc được mô tả như hình 3-6. Ký hiệu ri(k) sử dụng để mô tả số lượng tài nguyên gốc do tác vụ Ti yêu cầu trong khoảng thời gian [k, k+1] để thực hiện chức năng của nó và ui(k) mô tả số lượng tài nguyên cho phép trong khoảng [k, k+1] bởi tác vụ tương thích Ti. Hình 3-6. Mô hình rời rạc cho tác vụ ứng dụng Tác vụ T(i-1) Tác vụ T(i+1) Nguồn tài nguyên Quản lý và Cấp phát tài nguyên (tốc độ cấp phát c) Yêu cầu tài nguyên Tác vụ ứng dụng Ti Giá trị tham chiếu Bộ cấu hình Thuật toán điều khiển Tác vụ tương thích Tác vụ quan sát Đánh giá Quan sát ui(k) ri(k) z(k) xc(k) 58 Như đã xem xét ở trên, coi một ứng dụng phân bố là một luồng tác vụ gồm nhiều tác vụ ứng dụng. Các tác vụ ứng dụng này cùng chia sẻ tài nguyên và mỗi tác vụ ứng dụng yêu cầu tài nguyên hệ thống để thực hiện tác vụ của chúng. Các yêu cầu tài nguyên này hoặc được cấp phép hoặc phải xếp vào hàng đợi. Giả thiết rằng hệ thống có thể cấp phép cho các yêu cầu tài nguyên trong khoảng thời gian nhất định cho nhiều tác vụ ứng dụng đang chạy. Phương trình mô tả biến đổi tài nguyên được cấp phép có dạng như sau:             10 1 1 1 1 M k ii x k x k x k x k u k c k k              (3.7) với, x(k) là tổng số các yêu cầu tài nguyên có trong hàng đợi được thực hiện bởi tất cả các tác vụ ứng dụng ở thời điểm k, u(k) là tốc độ yêu cầu được điều khiển bởi bộ điều khiển (công việc điều khiển tương thích) và M(k) là tổng số các tác vụ của ứng dụng hiện hành, c là tốc độ cấp phép yêu cầu. 3.3.4. Các điều kiện về mô hình điều khiển tác vụ Phương trình (3.7) biểu diễn quan hệ tài nguyên của tác vụ ứng dụng trong mô hình điều khiển tác vụ. Tương tự với mô hình lý thuyết điều khiển truyền thống, mục đích của điều khiển các tác vụ là duy trì tổng các yêu cầu tài nguyên trong hàng đợi x(k) của ứng dụng nằm xung quanh giá trị tham chiếu xc(k). Tác vụ tương thích thực hiện thuật toán điều khiển nào đó dựa trên các yêu cầu tài nguyên trong hàng đợi x(k) và giá trị tham chiếu xc(k) để hiệu chỉnh yêu cầu tài nguyên ui(k). Theo [4], yêu cầu hiệu chỉnh tài nguyên ui(k) của tác vụ tương thích Ti thỏa mãn x(k) được mô tả bởi phương trình sau: ui (k) = ui (k −1) + α[xc (k) − x(k)]+ β {[xc (k) − x(k)]− [xc (k −1) − x(k −1)]} (3.8) với, α và β là các hệ số cấu hình của tác vụ tương thích. Với mô hình tác vụ ứng dụng rời rạc mô tả bởi phương trình (3.7), thuật toán điều khiển trong tác vụ tương thích mô tả bởi phương trình (3.8) sẽ thỏa mãn yêu cầu trên. Tương tự mô hình điều khiển truyền thống, điều khiển tác vụ có một số đặc tính sau: 59 + Trạng thái cân bằng: Trạng thái có số yêu cầu tài nguyên trong hàng đợi x(k) trong hệ thống được xác định bởi phương trình (3.4) hội tụ về một trạng thái ổn định, ứng với giá trị tham chiếu xc(k). + Độ ổn định: Với các giá trị tương ứng của α và β để hệ thống ổn định về trạng thái cân bằng. Không tập trung tính toán các hệ số α và β để hệ thống ổn định, nhưng thấy được rằng với điều kiện α > 0, β > 0 và α + β <4γ (γ là trọng số động của hệ thống) thì hệ thống hội tụ về trạng thái cân bằng động. Tính đúng đắn, hợp lý của mô hình điều khiển tác vụ được chứng minh bằng thực nghiệm trong phần sau. 3.3.5. Ứng dụng mô hình điều khiển tác vụ trong kiến trúc middleware Sử dụng mô hình điều khiển tác vụ theo cơ chế phân cấp để tương thích QoS trong kiến trúc middleware do nghiên cứu sinh và các cộng sự đề xuất cho thấy rằng middleware có khả năng tương thích QoS cả trong trường hợp khi có những thay đổi nhỏ và thay đổi lớn về độ sẵn sàng của tài nguyên. Đối với những thay đổi nhỏ về độ sẵn sàng của tài nguyên, điều khiển tương thích được thực hiện bởi một bộ điều khiển tuyến tính (ví dụ bộ điều khiển PID) để điều chỉnh tốc độ yêu cầu dẫn đến những thay đổi nhỏ của QoS. Đối với những thay đổi lớn về độ sẵn sàng của tài nguyên, cần phải có yêu cầu thay đổi chức năng xử lý thường xuyên trong tác vụ ứng dụng, nghĩa là thay đổi cấu hình xử lý của ứng dụng. Thay đổi cấu hình xử lý ứng dụng (bộ cấu hình) có thể thực hiện bằng cách bất định hóa cấu trúc bộ điều khiển trên cơ sở áp dụng Soft-computing (sử dụng riêng rẽ hoặc kết hợp các thành phần tạo thành Soft-computing như mạng Nơron, lý thuyết mờ, giải thuật di truyền), v.v... Ứng dụng của mô hình điều khiển tác vụ trong kiến trúc Middleware như minh họa trong hình 3-7. Trong đó, trình bày hai kiểu của bộ tương thích ứng với hai kiểu nguồn tài nguyên trong mạng là băng thông của mạng và tải xử lý của CPU. Tác vụ tương thích trong hai bộ tương thích sẽ tạo ra tín hiệu để điều khiển bộ thao tác lựa chọn cấu hình ứng dụng phù hợp với biến đổi của tài nguyên mạng. 60 Hình 3-7. Mô hình điều khiển tác vụ trong kiến trúc middleware a.) Mô hình điều khiển tương thích QoS trong middleware Trong môi trường đa phương tiện phân tán, tại mỗi hệ thống đầu cuối có thể có nhiều ứng dụng chạy đồng thời. Mỗi ứng dụng này là một tác vụ ứng dụng và có thể áp dụng mô hình điều khiển tác vụ để điều khiển yêu cầu tài nguyên của các ứng dụng này. Hình 3-8 mô tả việc áp dụng mô hình điều khiển tác vụ trong kiến trúc middleware tương thích QoS theo ứng dụng để điều khiển yêu cầu tài nguyên của n ứng dụng chạy đồng thời tại hệ thống đầu cuối. Hình 3-8. Mô hình điều khiển tương thích QoS trong kiến trúc Middleware Phương trình mô tả tổng lượng yêu cầu tài nguyên trong toàn bộ hệ thống như sau: Tác vụ 1 Tác vụ 2 Tác vụ 3 Hành động điều khiển Bộ thao tác Lớp ứng dụng Lớp Middleware Tương thích CPU Tương thích Băng thông Trạng thái Trạng thái Tác vụ tương thích Tác vụ quan sát Tác vụ tương thích Tác vụ quan sát Hệ điều hành/Mạng truyền dẫn   ( ) 1 m k i i S k   a Lớp hệ thống Bộ quan sát Bộ điều khiển Lớp Middleware Lớp ứng dụng cn(k) . . . c2(k) c1(k) An A2 A1 s2(k) s1(k) sn(k) 61 s(k+1) = amax {s(k) + l(k)C (k) + SN(k) - a} (3.9) với, amax là lượng yêu cầu tài nguyên được cấp phép cực đại của hệ thống đầu cuối. Phương trình mô tả luật điều khiển PID cho mỗi tác vụ tương thích như sau:   )1()1()()1( kskskckc rii      )()()1()1( ksksksks rr   (3.10) với, T T K I  và T KTD là các hệ số tỷ lệ. b.) Các điều kiện giới hạn của hệ thống điều khiển tương thích QoS Những đặc tính của mô hình điều khiển tương thích QoS liệt kê bên sau sẽ cho thấy hệ các điều kiện giới hạn tương ứng. - Độ cân bằng của hệ thống: Hệ thống điều khiển tương thích được thiết lập bởi các phương trình (3.9) và (3.10), thì trong khoảng thời gian [k1, k2], số lượng các yêu cầu tài nguyên trong hàng đợi s(k) buộc phải hội tụ tới một giá trị cân bằng tương ứng với giá trị tham chiếu 0rs . Ngoài ra hệ thống cũng buộc phải cân bằng yêu cầu tài nguyên giữa các tác vụ cạnh tranh theo trọng số tĩnh của chúng. - Độ ổn định của hệ thống: Hệ thống điều khiển tương thích được thiết lập bởi các phương trình (3.9) và (3.10), thì trạng thái hay lượng yêu cầu tài nguyên của tác vụ ứng dụng Ti buộc phải ổn định tiệm cận xung quanh giá trị lân cận trong điều kiện α > 0, β > 0 và α + 2β < 4γi. - Lựa chọn tham số cấu hình: Tồn tại giá trị thích hợp của tham số cấu hình α và β để yêu cầu lượng tài nguyên của tất cả các tác vụ ứng dụng trong hệ thống ổn định với bất kỳ trọng số tĩnh i xác định trước đối với tác vụ Ti. Từ hai vấn đề chính của mô hình điều khiển tác vụ (mô hình toán học của tác vụ ứng dụng, thuật toán điều khiển tương thích QoS cho tác vụ ứng dụng) áp dụng vào trường hợp tương thích trong kiến trúc middleware điều khiển tương thích ứng 62 dụng, xuất hiện hệ các bất phương trình điều kiện giới hạn tương thích băng thông mạng và tải CPU. 3.4. GIỚI HẠN PHÂN BỔ LƯU LƯỢNG ƯU TIÊN TRONG MẠNG HÀNG ĐỢI 3.4.1. Mô hình hóa cơ chế ưu tiên lưu lượng trong mạng hàng đợi a.) Xây dựng mô hình bài toán quản lý hàng đợi lưu lượng Minh họa quản lý hàng đợi lưu lượng theo lý thuyết điều khiển như trong hình 3-9.  Bˆ  Cˆ xˆxˆ  K Aˆ ( )y t( )u t Hình 3-9. Mô hình bài toán quản lý lưu lượng hàng đợi Với phương pháp tuyến tính hóa, hệ phương trình toán học mô tả động học của bài toán quản lý hàng đợi theo hai trường hợp như sau [3]: - Hệ thống hàng đợi hở: ˆ ˆˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( ) ˆˆ ˆ( ) ( ) x t Ax t Bu t y t Cx t       (3.11) - Hệ thống hàng đợi kín: ˆ ˆˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( ) ˆˆ ˆ( ) ( ) ˆ ˆ( ) ( ) x t Ax t Bu t y t Cx t u t Kx t           (3.12) 63 trong đó, q 1ˆ( ) Ry t  , 1ˆ( ) pRu t  , 1ˆ( ) mRx t  , m  min(p, q); p nK R  và m pM R  là tổ hợp tuyến tính của tín hiệu kích thích và đáp ứng; ˆ m mRA  , ˆ m x pRB , ˆ q mC R  là các ma trận tham số cần xác định theo tham số hệ thống {A, B, C}, có thể gồm các đại lượng đặc trưng về độ trễ, thời gian chờ, độ dài hàng đợi, xác suất nghẽn trong hệ thống. Hàm mục tiêu của bài toán là J = min(||C2x2(t) - y2(t)||). Điều kiện ràng buộc gồm: (i). Điều kiện ổn định, điều khiển được và quan sát được của hệ thống. (ii). Thỏa mãn các điều kiện giả định và các luật hay cơ chế xử lý hàng đợi trong hệ thống. (iii). min(p,q) ≥ 2 với p,q tương ứng là số đầu vào và ra hệ thống. b.) Phân tích bài toán trên cơ sở lý thuyết hệ thống - Về các tham số đặc trưng: Chọn T T Tˆ( ) [ ( ) | ( )]u t u t y t và ˆ( ) [ | ]B t B M , có ngay Aˆ A MC  , ˆ( ) [ | ]B t B M , Cˆ C . Trong đó, ma trận M được chọn khá bất kỳ (trừ trường hợp là tổ hợp tuyến tính của B và MC có giá trị riêng làm triệt tiêu một hoặc nhiều giá trị riêng của A), ma trận K yêu cầu thoả mãn nhiều mức ưu tiên khác nhau ( -1 1i i ik k k  ; với ik = i  sign(i); i = 1, 2 ... ; i là độ rộng thời gian trễ i tại mức ưu tiên thứ i), trong khi là nghiệm duy nhất của phương trình Riccatti: T T T T( ) ( ) ( ) 0K A BM A BM K KRK Q      (3.13) Nên, Aˆ A BCK  , Bˆ BM , ˆ|| || || ||i LC min x  với L là giới hạn ngưỡng dung lượng hệ thống xử lý hàng đợi. - Về cơ chế xử lý hàng đợi: Hai cấp ưu tiên dùng cho các hệ thống, mạng hàng đợi lưu lượng, thực hiện theo hai cơ chế. Đó là, cơ chế ưu tiên tương đối (chỉ tác động đến lưu lượng đang chờ trong hàng đợi; lưu lượng có ưu tiên cao hơn được chuyển lên trên về phía đầu ra của bộ đệm hàng đợi) và cơ chế ưu tiên tuyệt đối (tác động đến cả lưu lượng đang chờ trong hàng đợi và đang được xử lý trong server; tạm ngưng quá trình xử lý lưu lượng trong server, đưa lưu lượng quay về hàng đợi để giành chỗ cho lưu lượng có độ ưu tiên cao hơn). Có hai phương thức thực hiện 64 ưu tiên lưu lượng: ưu tiên về thời gian ảnh hưởng đến trễ lưu lượng và ưu tiên không gian ảnh hưởng đến tổn thất lưu lượng. Giải pháp thực hiện cơ chế ưu tiên trong các hệ thống hàng đợi viễn thông: (i). Phân không gian bộ đệm thành các miền logic có mức ngưỡng ứng với thành phần lưu lượng có độ ưu tiên khác nhau. (ii). Bỏ phần tử lưu lượng có mức ưu tiên thấp khi bộ đệm vượt ngưỡng. (iii). Điều phối các luồng lưu lượng đến thích ứng với từng phân lớp ưu tiên. Trong mô hình hàng đợi có ưu tiên, các luồng lưu lượng được phân thành N lớp với giả thiết lưu lượng thuộc phân lớp i có độ ưu tiên cao hơn phân lớp i+1. Tổng thời gian xử lý trung bình của luồng lưu lượng tổng trong hệ thống là: i N i N i i i ss     1 1   (3.14) Đối với giải pháp điều phối thích ứng, khi độ dài hàng đợi l < L (ngưỡng điều khiển ưu tiên), lưu lượng đến không được điều khiển. Khi l ≥ L, lưu lượng đến được điều khiển sao cho: (i). 1 ≤  với  =1/s là tốc độ xử lý trung bình của hệ thống. (ii). i+1= min(i, max(-i,0)). Có thể xác định ngưỡng L động tương ứng với tải của các thành phần lưu lượng vào để vừa đảm bảo ưu tiên vừa đảm bảo hiệu quả sử dụng bộ đệm. c.) Áp dụng cơ chế ưu tiên tương đối - Mô hình M/M/n: Thời gian chờ trung bình tổng cộng của lớp thứ p là: 2, 1 1 ( ) p p i i p n i p i i s ssW E A W W n n n         (3.15) trong đó, E2,n(A) được xác định theo công thức Erlang thứ 2, số hạng thứ nhất là thời gian để giải phóng các phần tử lưu lượng đang được xử lý, số hạng thứ hai là thời gian chờ do thành phần lưu lượng có trong hàng đợi với độ ưu tiên cao hơn thành phần thứ p, số hạng cuối cùng là thời gian chờ do các thành phần lưu lượng mới đến có độ ưu tiên cao hơn thành phần thứ p. 65 - Mô hình M/G/1: Thời gian chờ trung bình tổng cộng của lớp thứ p là: 1 2 1 1 12 p pN i p i i i i i i p i i i W m s W s W            (3.16) Các số hạng ứng với từng thành phần lưu lượng ưu tiên ở đây giống như đã giải thích ở mô hình M/M/n phía trên. Thời gian chờ theo lưu lượng phát sinh được tính theo công thức của Cobham: )1)(1( 2 1 1 1 2 1         p i i p i i i N i i p AA m W