دانلودرساله دکترای مهندسی برق: طراحی الگوریتم های تخصیص نرخ بهینه بر مبنای تابع سودمندی در شبکه های داده

دانلود متن کامل

رساله دکترای رشته مهندسی برق با فرمت ورد

عنوان : طراحی الگوریتم های تخصیص نرخ بهینه بر مبنای تابع سودمندی در شبکه های داده

دانشگاه صنعتی اصفهان

دانشکده برق و کامپیوتر

رساله دکترای مهندسی برق

عنوان:

طراحی الگوریتم های تخصیص نرخ بهینه بر مبنای تابع سودمندی در شبکه های داده

اساتید راهنما:

دکتر حسین سعیدی

دکتر فرید شیخ الاسلام

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)فهرست مطالب:فهرست مطالب........................................................................................................ هشتچکیده..................................................................................................................1فصل اول : مقدمه1-1 مقدمه ................................................................................................................21-3 تبیین موضوع.......................................................................................................51-2 ترتیب ارائه مطالب.............................................................................................6فصل دوم : بررسی مفهوم کیفیت سرویس در شبکه های داده2-1 مقدمه...........................................................................................................72-2 مکانیسم های موجود در شبکه برای ایجاد QoS ................................................2-3 روش های صف بندی با کار مداوم........................................................................92-3-1 روش صف بندی FIFO......................................................................................2-3-2 روش صف بندی با اولویت مطلق...............................................................102-3-3 روش GPS....................................................................................................2-3-4 روش صف بندی Round Robin .................................................................2-3-5 روش Bitwise Round Robin .....................................................................2-3-6 روش عملی صف بندی عادلانه Bitwise Round Robin ..................................2-3-7 روش WRR .............................................................................................2-3-8 روش Deficit Round Robin (DRR) ......................................................2-3-9 روش بهبود یافته DRR (DRR+) .............................................................2-3-10 روش صف بندی عادلانه وزن دهی شده (WFQ) .................................152-3-11 روش WF2Q .....................................................................................2-3-12 روش های Delay-EDD و Jitter-EDD ...................................................2-4 روش های صف بندی با کار غیر مداوم ...................................................172-4-1 روش Leaky Bucket .....................................................................2-4-2 روش Token Bucket .....................................................................2-5 روشهای استفاده شده برای حذف کردن بسته ها ......................................182-5-1 Tail Dropping .................................................................................2-5-2 Random Early Detection (RED) ...................................................2-5-3 Weighted Random Early Detection (WRED) ...............................2-6 انواع کلاسهای سرویس در شبکه های داده ............................................202-7 سرویس های مجتمع ..............................................................................212-8 RSVP..................................................................................................2-9 سرویس های تفکیک شده ..................................................................242-10 نتیجه گیری ....................................................................................25فصل سوم:کنترل نرخ و مفهوم عدالت در شبکه های داده3-1 مقدمه.....................................................................................................263-2  مفهوم کنترل نرخ و اهداف آن.................................................................273-2-1 روشهای  بر اساس پنجره ..................................................................273-2-2 روشهای بر اساس نرخ ...................................................................283-3  تقسیم بندی ترافیک های موجود در سطح شبکه ..................................293-4  مفهوم عدالت در تخصیص نرخ در شبکه های داده ...................................313-4-1 مدل شبکه ............................................................................323-4-2 معیار عدالت حداکثر- حداقل.....................................................333-4-3 معیار عدالت تناسبی ....................................................................343-4-4 معیار عدالت حداقل تأخیر بالقوه .....................................................363-4-5 تخصیص پهنای باند وزن دهی شده ....................................................363-4-6 معیار عدالت تناسبی(W,a) .....................................................373-5  نتیجه گیری ..................................................................................38فصل چهارم: بررسی روشهای تخصیص نرخ بهینه به کاربرهای سطح شبکه براساس دیدگاه جریان سیال4-1 مقدمه.....................................................................................................394-2 طرح مسئله کنترل نرخ بصورت یک مسئله بهینه سازی عمومی.............424-2-1 الگوریتم گسترده و تکرری برای پاسخ...........................................454-3  کنترل نرخ در شبکه های کامپیوتری با استفاده ازمفهوم هزینه.............464-3-1  الگوریتم Kelly برای حل مسئله شبکه...........................................494-3-2  الگوریتم Kelly برای حل مسئله کاربر .............................................504-3-3  بررسی پایداری سراسری الگوریتم ها ............................................504-3-4  سرعت همگرائی ............................................................................514-3-5  تأخیرهای زمانی ............................................................................524-3-6  تطبیق کاربرها ..................................................................................544-3-7 بهینه سازی همزمان مسیر و نرخ کاربرها ..........................................554-3-8  بررسی مسئله ورود و خروج کاربرها در سیستم .................................574-4 نتیجه گیری.....................................................................................60فصل پنجم : روشهائی برای حل مسائل بهینه سازی محدب مقید5-1 مقدمه .........................................................................................615-2 بهینه سازی محدب مقید ..............................................................625-2-1  روش تصویر گرادیان .............................................................635-2-2 الگوریتمهای تصویر گرادیان وزن دهی شده و نیوتن .................655-2-3 بررسی همگرائی با استفاده از روش شیب ..................................665-2-4 لم شیب .................................................................................675-2-5 مفهوم سرعت همگرائی و مقایسه سرعت همگرائی الگوریتم ها .......685-2-6 روش لاگرانژ ..............................................................................705-2-7 روش تابع جریمه ........................................................................715-2-8 روش تابع سد ...........................................................................715-3 نتیجه گیری.......................................................................................72فصل ششم : طراحی و پیشنهاد الگوریتمهای تخصیص نرخ بهینه بهبود یافته6-1  مقدمه ...........................................................................................736-2 معیار عدالت تناسبی(W,a) ...........................................................746-3  الگوریتمهای پیشنهادی ...................................................................766-3-1  الگوریتم  I .............................................................................6-3-2  الگوریتم II  ...........................................................................6-3-3 الگوریتم III  .........................................................................6-3-4  الگوریتم IV  .........................................................................6-4  پایداری الگوریتم های با عدالت تناسبی در حضور تأخیر زمانی .....1026-5 نتیجه گیری...............................................................................118فصل هفتم : شبیه سازی کامپیوتری7-1 مقدمه ......................................................................................1197-2 مقایسه الگوریتم های I الی IV با الگوریتمهای متعارف  ................1197-2-1 مثال اول ...............................................................................1207-2-2 مثال دوم ..................................................................................1297-2-3 مثال سوم ................................................................................1407-2-4 مثال چهارم ..........................................................................1517-2-5 مثال پنجم (بررسی اثر متقابل گلوگاه ها)...................................1587-3  شبیه سازی ورود و خروج کاربرها ..............................................1617-4 شبیه سازی معیارهای عدالت دیگر در الگوریتم فازی .....................1657-5 شبیه سازی واقعه گسسته................................................................1667-5-1 بخش اول.......................................................................1687-5-2 بخش دوم...............................................................................1777-5-3 شبیه سازی الگوریتم سلسله مراتبی II در حضور ترافیک زمینه ........1787-5-4 مقایسه الگوریتم فازی با Kelly...................................................7-6 نتیجه گیری...............................................................................179فصل هشتم : نتیجه گیری و پیشنهادات8-1  نتیجه گیری ...........................................................................1818-2  پیشنهادات .............................................................................184فهرست علائم اختصاری .............................................................186مراجع .........................................................................................188چکیده:هدف از انجام این رساله، ایجاد بهبود در نحوه عملکرد الگوریتم های تخصیص نرخ بهینه بر مبنای تابع سودمندی در شبکه های داده می باشد. الگوریتم تخصیص نرخ بهینه بر مبنای تابع سودمندی در ابتدا توسط دکتر گلستانی مطرح گردید. سپس Kelly  نشان داد که میتوان مسئله تخصیص نرخ بهینه  را به دو زیر مسئله ساده تر تبدیل کرد که یکی توسط شبکه و دیگری توسط کاربرها حل میشود و نشان داد که مسئله شبکه در حقیقت، مسئله تخصیص نرخ با معیار عدالت تناسبی می باشد و دارای مزایای بسیاری از جمله شباهت با الگوریتم کنترل ازدحام در TCP/IP (روش AIMD ) می باشد و همچنین پایداری و همگرائی الگوریتم را بفرم ریاضی نشان داد. ولی در عین حال الگوریتم Kelly دارای برخی محدودیتها نیز می باشد که از آن جمله می توان به مشکل گسترش پذیری(Scalability)  و سرعت همگرائی کم و سربارهای محاسباتی زیاد اشاره کرد. در این رساله، به معرفی دو الگوریتم سلسله مراتبی، یک الگوریتم فازی و یک الگوریتم ترکیبی فازی- سلسله مراتبی با هدف برطرف کردن نقائص فوق الذکر میپردازیم تا ضمن برقراری عدالت تناسبی (W,a) به روشهای تخصیص نرخ با سرعت های همگرائی بالاتر دست یابند. ضمناً  بررسی ریاضی پایداری الگوریتمهای مطرح شده،  بررسی رفتار الگوریتمهای سلسله مراتبی در حضور ترافیک زمینه با نرخ متغیر، و بررسی پدیده ورود و خروج کاربرها به سیستم از دیگر مواردی می باشندکه در این رساله مورد بررسی قرار خواهند گرفت.فصل اول: مقدمه1-1- مقدمه بطور کلی، کیفیت سرویس1 عبارتست از قابلیتی که شبکه در تمیز گذاری بین انواع سرویسها و کلاسهای ترافیکی دارا می باشد بنحوی که کاربرانی که در یک کلاس ترافیکی قرار گرفته اند، بسته به نوع نیاز خود، عملکرد متفاوتی از شبکه را نسبت به انواع دیگر مشاهده کنند. از جمله راههای حمایت از کیفیت سرویس می توان به انواع روشهای کنترل نرخ و کنترل ازدحام2 اشاره نمود.روشهای کنترل نرخ و کنترل ازدحام در شبکه های کامپیوتری بمنظور کنترل ترافیک در شبکه ها و تقسیم پهنای باند با در نظر گرفتن معیار عدالت3 مفروض به کار می روند.کنترل نرخ عبارتست از مجموعه ای از روش های مورد استفاده شبکه برای کنترل نرخ ورودی به شبکه در حالی که کنترل ازدحام عبارتست از اعمال پاره ای از کنترل ها بر روی ورودی هائی که باعث پر شدن بافرهای شبکه شده اند.در یک تقسیم بندی عمومی، کنترل ازدحام در شبکه های مخابراتی داده به دو روش صورت می گیرد. روشهای براساس پنجره که در آنها تعداد بسته های موجود در شبکه با کنترل هوشمندانه یک پنجره به نام پنجره ازدحام4، در حدی معین تنظیم می گردد [6,5,4,3,2,1] و روشهای بر اساس نرخ که در آنها به ترافیک موجود در شبکه بصورت جریان مایع نگاه کرده می شود و با الگوریتم های مشخص سعی در تخصیص نرخ به کاربرهای شبکه می گردد بنحوی که عدالت در تخصیص نرخ به کاربرها رعایت گردد[11,10,9,8,7].معیارهای متعددی برای پیاده سازی این عدالت معرفی شده اند که از شاخص ترین آنها می توان معیارهای عدالت حداکثر- حداقل1، تناسبی2 و حداقل تأخیر بالقوه3 را نام برد[14,13,12].Mo و Walrand در [13] به بررسی معیار عدالت (W,a) پرداخته اند و نشان داده اند که تمامی معیارهای عدالت مذکور را می توان بعنوان حالتهای خاص از معیار عدالت عمومی تر(W,a)  بدست آورد.با تحقیقاتی که در زمینه کنترل ازدحام و الگوریتم های تخصیص نرخ صورت گرفته است این نتیجه حاصل شده است که هرگونه الگوریتمی که بمنظور کنترل ازدحام یا تخصیص نرخ بکار می رود باید در حد امکان، بصورت توزیع شده در سطح شبکه قابل پیاده سازی باشد زیرا در غیر اینصورت اگر الگوریتم بصورت متمرکز پیاده سازی گردد، با بزرگ شدن ابعاد شبکه، بار محاسباتی قابل توجهی به پردازشگر مرکزی اعمال می گردد و بعلاوه در صورت بروز نقص در این پردازشگر، رفتار کل سیستم دچار اختلال و آشفتگی می گردد در حالی که در یک الگوریتم توزیع شده، مسئولیت تخصیص نرخ و کنترل ازدحام بر عهده تمامی گره های شبکه و کاربرهای انتهائی قرار می گیرد و ایجاد خطا و یا نقص در جزئی از این سیستم توزیع شده، تأثیر زیادی بر رفتار کل الگوریتم نخواهد داشت. بهمین دلیل محققینی از جمله Bertsekas [15] و Gallager [16] سعی در سوق دادن الگوریتم های تخصیص نرخ به سمت الگوریتم های توزیع شده و گسترده در سطح شبکه نموده اند.ایده اولیه پیاده سازی مسئله کنترل نرخ بصورت یک مسئله بهینه سازی عمومی توسط S.J.Golestani  مطرح گردیده است [17] و پس از او محققین بسیاری سعی در توسعه روشهای موجود برای دسترسی کاربرهای موجود در سطح شبکه به نرخ های بهینه و با روشهای توزیع شده نموده اند.عمده کار این محققین را می توان بطور کلی به دو دسته عمده تقسیم بندی نمود. در دسته اول، محققینی مانند S. Low در [18,19] سعی نموده اند تا با استفاده از تئوری دوگانی4[15]، مسئله بهینه سازی را به یک مسئله گسترده در سطح شبکه مبدل کنند که در آن کاربرهای انتهائی و لینک های شبکه با تبادل پاره ای اطلاعات به یکدیگر قادر به حل مسئله بهینه سازی عمومی باشند و حتی این محققین در [18] به کمک روشهای ریاضی سعی در اثبات پایداری الگوریتم های توزیع شده خود نموده اند و در عمل نیز نحوه پیاده سازی اینگونه از الگوریتم ها در شبکه ATM 5 [21,20] و برای سرویس ABR موجود در آن با استفاده از امکاناتی که این سرویس در اختیار قرار می دهد مورد بررسی و آنالیز قرار گرفته است.محققینی که در دسته دوم تقسیم بندی فوق قرار دارند سعی می کنند تا با استفاده از روشهای مبتنی بر تابع جریمه [15] به حل مسئله تخصیص بهینه نرخ با تئوری بهینه سازی عمومی بپردازند که از این جمله می توان به تحقیقات صورت گرفته در [24,23,22,10,8,7] اشاره نمود.البته لازم به توضیح است، محققینی نیز وجود دارند که با استفاده از روشهائی متفاوت با دو روش کلی فوق، سعی در حل مسئله بهینه سازی عمومی تخصیص نرخ نموده اند. بعنوان مثال Başar et al. T. در [25] و R. Srikant et al. در [8] سعی کرده اند تا با کمک تئوری بازی1 مسئله بهینه سازی تخصیص نرخ را مورد تجزیه و تحلیل قرار دهند.از مهمترین روشهای دسته دوم می توان به نتایج تحقیقات در [7]  اشاره کرد. Kelly et al. در [7] سعی نموده اند علاوه بر پیاده سازی یک الگوریتم گسترده در سطح شبکه به معیار عدالت تناسبی دست پیدا کنند. از جمله مهمترین ویژگی های این معیار، نزدیکی آن با روش معروف کنترل ازدحام در اینترنت که توسط Jacobson et al. در [26] ارائه گردیده است، می باشد. از دیگر ویژگی های برجسته این الگوریتم، بررسی و اثبات پایداری آن  با انتخاب توابع لیاپانوف مناسب می باشد.از آنجائیکه تأخیر زمانی در الگوریتم Kelly کمتر مورد توجه واقع گردیده است، R.Johari و D.Tan تحقیقات دامنه داری را در [11] برای اثبات پایداری الگوریتم Kelly در حضور تأخیر و تحت شرایطی مشخص انجام داده اند و به نتایج قابل توجهی دست یافته اند و در نهایت، پایداری الگوریتم برای یک توپولوژی عمومی شبکه و تأخیرهای دلخواه ولی محدود توسط L. Massoulié  در [27] و S.Deb  و R.Srikant  در[28] ارائه شده است.مسئله ورود و خروج کاربرها در الگوریتم Kelly ، در [10] مورد بررسی قرارگرفته است.یکی از موثرترین روشهای اعمال شده جهت پرهیز از بروز ازدحام و یا کنترل آن، استفاده از متدهای هزینه گذاری2 بر لینکهای شبکه به ازاء ترافیک عبور کننده از آنها می باشد [31,30,29] که در این روشها هر لینک به ازاء ترافیک تجمعی که از آن عبور می کند، هزینه ای را بر کاربرهای عبوری اعمال می کند و این هزینه با افزایش ترافیک تجمعی عبوری افزایش می یابد و بعنوان مثال در [7]  از اینگونه روشهای هزینه گذاری بمنظور دستیابی کاربرهای الاستیک3 [32] موجود در شبکه به نرخ های عادلانه و بهینه استفاده شده است. اخیراً با توجه به رشد روز افزون برنامه های کاربردی موجود در اینترنت و نیاز به سرویس هائی که دارای کران های مشخص برای تأخیر (و یا تغییرات تأخیر4) می باشند توجه خاصی به اعمال روشهای مبتنی بر الگوریتم های بهینه سازی و هزینه گذاری بر ترافیک های بلادرنگ5 معطوف شده است و از آنجا که یکی از بهترین روشهای دستیابی به کیفیت سرویس در اینترنت کنونی، استفاده از سرویسهای تفکیک شده1 [33] می باشد، اعمال روشهای هزینه گذاری بر سرویس های تفکیک شده[34] و هزینه گذاری براساس اولویت و هزینه گذاری بر ترافیکهای بلادرنگ با استفاده از مفهوم پهنای باند موثر2 [35] از زمینه های تحقیقاتی مهم کنونی به شمار می روند و محققین بسیاری در سرتاسر جهان، مشغول به تحقیق در این زمینه می باشند.2-1- تبیین موضوعهدف از انجام این رساله، پیشنهاد و بررسی الگوریتم های تخصیص نرخ بهینه با عملکرد بهبود یافته بر مبنای تابع سودمندی3 در شبکه های داده می باشد.یک الگوریتم تخصیص نرخ بهینه بر مبنای تابع سودمندی در ابتدا توسط دکتر گلستانی مطرح گردیده است سپس Kelly  نشان داده است که میتوان مسئله تخصیص نرخ بهینه  را به دو زیر مسئله تبدیل کرد که یکی توسط شبکه و دیگری توسط کاربرها حل میشود و نشان داده است که مسئله شبکه در حقیقت، مسئله تخصیص نرخ با معیار عدالت تناسبی می باشد و دارای مزایای بسیاری از جمله شباهت با الگوریتم کنترل ازدحام در TCP/IP (روش AIMD4 ) می باشد و از مبنای ریاضی قوی جهت اثبات پایداری و همگرائی الگوریتم، بهره مند است ولی در عین حال، دارای برخی نقاط کاستی نیز می باشد که از آن جمله می توان به عدم سهولت گسترش پذیری5 الگوریتم Kelly به شبکه های وسیعتر و ترجیح به استفاده از الگوریتم های ساده مقدماتی (با سرعت همگرائی کم) بدلیل حجم زیاد سربار محاسباتی ایجاد شده اشاره کرد.در این رساله، با معرفی دو الگوریتم سلسله مراتبی، یک الگوریتم فازی و یک الگوریتم ترکیبی فازی- سلسله مراتبی با هدف برطرف کردن نقائص فوق الذکر و ضمن برقراری عدالت تناسبی (W,a) به روشهای تخصیص نرخ با سرعت های همگرائی بالاتر دست می یابیم و ضمناً به بررسی ریاضی پایداری الگوریتمهای مطرح شده می پردازیم.الگوریتمهای سلسله مراتبی، بر اساس لینکهای گلوگاه6 موجود، شبکه را به دو سطح سلسله مراتب افراز می کنند. اینگونه الگوریتمها کاربرهای شبکه را بر اساس عبور دسته های کاربرها بطور مشترک از لینکهای گلوگاه به کاربرهای مجازی تفکیک می کنند. سپس عمل تخصیص نرخ به این کاربرهای مجازی بصورت مشترک و توسط گره های مرزی موجود در مرز میان دو سطح سلسله مراتب، انجام می پذیرد.از جمله ویژگیهای الگوریتمهای سلسله مراتبی تخصیص نرخ مطرح شده در این رساله می توان به کاهش سربار محاسباتی و حجم عملیات مورد نیاز جهت تخصیص نرخ در سطح بالای سلسله مراتب اشاره کرد.علاوه بر روشهای سلسله مراتبی تخصیص نرخ، با بکارگیری تکنیکهای فازی به افزایش سرعت همگرائی الگوریتمهای تخصیص نرخ متعارف پرداخته ایم. همچنین با بکارگیری روش ترکیبی سلسله مراتبی و فازی سعی کرده ایم که از ویژگیهای هردو روش سلسله مراتبی و فازی بهره ببریم.بررسی رفتار الگوریتمهای سلسله مراتبی در حضور ترافیک زمینه با نرخ متغیر، و بررسی پدیده ورود و خروج کاربرها به سیستم از دیگر مواردی می باشندکه در این رساله مورد بررسی قرار خواهند گرفت.3-1- ترتیب ارائه مطالبدر فصل دوم مفهوم کیفیت سرویس در شبکه های داده و روشهای مختلف زمانبندی مورد بررسی قرار خواهند گرفت. در فصل سوم به مسئله کنترل نرخ و روشهای دستیابی به آن در شبکه های داده می پردازیم و معیار های مختلف برای برقراری عدالت در تخصیص نرخ به کاربرها در این فصل بررسی خواهند شد. در فصل چهارم ضمن مرور نتایج کارهای انجام شده قبلی، بیان شده است که مسئله تخصیص نرخ عادلانه و بهینه به کاربرهای شبکه را می توان به یک مسئله بهینه سازی عمومی مقید بر اساس محدودیت های مربوط به منابع شبکه تبدیل کرد. فصل پنجم به بررسی روشهای کلی برای حل مسائل بهینه سازی محدب مقید اختصاص یافته است که از این میان می توان به روشهای تصویر گرادیان1، تصویر جاکوبی2، لاگرانژ و ... اشاره کرد[15]. در فصل ششم به ارائه و پیشنهاد چند الگوریتم تخصیص نرخ به کاربرهای سطح شبکه می پردازیم. این الگوریتم ها در نهایت به نقطه بهینه پاسخ همگرا می شوند. در این بخش، به بیان ریاضی مسئله پایداری الگوریتم های تخصیص نرخ خواهیم پرداخت.همچنین، در فصل ششم مسئله ورود و خروج کاربرها به شبکه (با در نظر گرفتن توزیع های مشخص برای فرایند ورود و خروج) بررسی می شود. در فصل هفتم با انجام شبیه سازی کامپیوتری بر روی چند توپولوژی دلخواه شبکه به بررسی نحوه عملکرد الگوریتم های مطرح شده در فصل پنجم و مقایسه نتایج حاصل با الگوریتمهای متعارف می پردازیم.در خاتمه، در فصل هشتم ضمن مرور بر نتایج حاصله از این تحقیق به بیان راهکارهائی جهت ادامه آن خواهیم پرداخت.تعداد صفحه : 204قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09309714541 (فقط پیامک)        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  -- --

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید