بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي کنترل هوشمند ازدحام در شبکه هاي ارتباطي TCP بر پايه اصل مد لغزش
چکيده – افزايش روز افزون استفاده از اينترنت و کاربرد وسيع شبکه هاي ارتباطي ، کنترل ازدحام در اين شبکه ها را امري اجتناب ناپذير نموده است . ازدحام در شبکه هاي ارتباطي موجب کاهش بهره برداري و در نتيجه از دست دادن کارايي شبکه مي گردد. تا کنون روش هاي کنترلي بسياري در زمينه مديريت فعال صف براي حل مساله کنترل ازدحام بکار گرفته شده است . در اين مقاله تکنيک کنترلي مد لغزشي براي کنترل ازدحام TCP معرفي شده است . از آنجا که نوسانات در کنترل مد لغزشي اجتناب ناپذير مي باشد با استفاده از روش کنترل مد لغزشي فازي درصدد بهبود پاسخ سيستم برمي آييم . نتايج حاصل از پياده سازي روش هاي کنترلي مذکور را با استفاده از نرم افزار متلب بدست خواهيم آورد و نشان مي دهيم براي داشتن پاسخي سريع و بدون نوسانات استفاده از روش کنترل مد لغزشي فازي براي حل مساله کنترل ازدحام شبکه هاي TCP مناسب به نظر مي رسد.
کليد واژه - شبکه ارتباطي TCP ، کنترل ازدحام ، کنترل مد لغزشي فازي ، مديريت فعال صف
١- مقدمه
افزايش روز افزون استفاده از شبکه هاي ارتباطي و گسترش انتقال اطلاعات توسط اينترنت ،کنترل ازدحام در شبکه هاي ارتباطي را امري اجتناب ناپذير نموده است .وقوع ازدحام در شبکه موجب از دست دادن برخي بسته ها و اتلاف پهناي باند مي شود و کاهش کارايي شبکه را در پي دارد[١و٢]. تاکنون روش هاي مختلفي به منظور پيشگيري و کنترل اين پديده ارائه شده که عمدتا روش هاي شهودي مي باشند. در کنار اين روش ها، ايده به کارگيري نظريه کنترل در حل مساله کنترل ازدحام از اواخر دهه ١٩٩٠ مورد تحقيق قرار گرفت که هدف از آن ، استفاده از ابزارهاي موجود در مهندسي کنترل به منظور تحليل و طراحي کنترل کننده هاي ازدحام مناسب براي شبکه ها به عنوان سيستم هاي حلقه بسته مي باشد[٤]. براي حل مساله کنترل ازدحام در شبکه TCP، کنترل کننده هاي از خانواده مديريت فعال صف (AQM) جهت پياده سازي در مسيريابهاي شبکه طراحي مي شوند و بقيه شبکه از ديد مسيرياب به عنوان پلنت در نظر گرفته مي شود[٣].
مديريت فعال صف با استفاده از اندازه گيري هاي خاص از شبکه به مديريت مسيرياب ها مي پردازد، به اين صورت که با
حذف بسته ها در صورت لزوم ، قبل از سرريز شدن مسيرياب از وقوع ازدحام پيشگيري ميکند[٥] که در شکل (١) نمايش داده شده است .
براي کنترل چنين سيستمي بايد مدل مناسبي از پلنت به دست آيد و سپس بر اين اساس ، کنترل کننده AQM طراحي مي شود. تکنيک هاي کنترلي متفاوتي براي مديريت طول صف مانند روش تشخيص زود هنگام تصادفي (RED) [١و٧]، کنترل کننده تناسبي ، تناسبي انتگرال گير[٣و١١]، روش H بينهايت [١٢] به انجام رسيده است ولي هيچ يک از آنها نسبت به نامعيني ها و اغتشاشات مقاوم نمي باشند.بنابراين طراحي کنترل کننده اي که بتواند نسبت به تغييرات مقاوم عمل کند ضروري به نظر ميرسد.
تکنيک کنترل مد لغزشي يکي از مهمترين روشهاي کنترل غير خطي مي باشد که از مشخصه هاي آن عدم حساسيت به تغيير پارامترها و دفع اغتشاش و مقابله با عدم قطعيت است [٩] .
اين کنترل کننده ابتدا سيستم را از حالت اوليه با استفاده از
قانون رسيدن به سطح تعريف شده ي لغزش ، که از پايداري لياپانوف برخوردار است ، رسانده و سپس با استفاده از قانون لغزشي آن را به حالت تعادل مي رساند[١٠]. کنترل مد لغزشي به اين دليل که تا حد زيادي مقاوم است بسيار مورد توجه است .اما اين تکنيک نيز داراي مشکلاتي است که استفاده از آن ما را به چالش مي کشاند.
در اين مقاله ابتدا مدل ديناميکي شبکه ارتباطي TCP ارائه مي شود. سپس به بررسي کنترل مد لغزشي بر روي شبکه
TCP و چالش هاي آن مي پردازيم . پس از آن به برطرف کردن چالش ها با دو متد: ١) استفاده از ترکيب موازي کنترل کننده مد لغزشي خطي و ٢) استفاده از کنترل مد لغزشي فازي مي پردازيم .در آخر نيز روش هاي ياد شده را بر روي شبکه TCP پياده سازي کرده و نتايج حاصله را يا يکديگر مقايسه مي کنيم .
٢- مدل ديناميکي شبکه ارتباطي TCP :
مدل ديناميکي مورد بررسي در اکثر مقالاتي که با روش هاي کنترلي به کنترل ازدحام در شبکه هاي کامپيوتري
TCP.AQM پرداخته اند، مدل ارائه شده در [٨] مي باشد.در يک شبکه TCP طول پنجره ، در صورتي که هيچ ازدحامي رخ نداده باشد، در هر RTT يک واحد افزايش يافته و اگر ازدحامي يابد[١١]. چنين رفتار تشخيص داده شود به نصف تقليل مي افزايشي تجمعي و کاهش ضربي TCP بااستفاده از معادلات ديفرانسيل غير خطي زير توصيف مي شود:
که در آن w متوسط طول پنجره بر حسب بسته ، q متوسط طول صف بر حسب بسته ،
زمان رفت و برگشت (RTT) برحسب ثانيه ، احتمال حذف بسته ها،C ظرفيت لينک بر حسب ثانيه ، Tp تاخير انتشار بر حسب ثانيه و N تعداد جريان هاي TCP است که به عبارتي معرف تعداد منابع نيز مي باشد. اين مدل در شکل (٢) نشان داده شده است .
٣- کنترل مد لغزشي :
يکي از تکنيک هاي مشهور کنترلي ، کنترل مد لغزشي مي باشد که بدليل مقاوم بودن در برابر نا معيني ها و اغتشاشات بسيار مورد توجه مي باشد.
اساس روش مد لغزشي به اين صورت است که در اين روش يک سطح سويچينگ که s ناميده ميشود، تعريف مي شود و حالت هاي سيستم را بر روي آن به سمت مبدا سوق مي دهد. حرکت بر روي سطح لغزش مستقل از نا معيني هاست . لذا اين تکنيک يکي از روش هاي مقاوم مي باشد[٩].
بر اساس اصول SMC قوانين کنترلي از دو قسمت تشکيل يافته است . قسمت اول مود لغزشي معادل است و قسمت دوم کنترل قطع و وصلي است که متغير هاي حالت را به سمت سطح لغزش مي برد. بنابراين قانون کنترلي را مي توان به صورت زير نوشت :
اما بدليل نامعيني هاي موجود در سيستم کنترل معادل به سختي قابل دست يافتن است .
وظيفه دارد سيستم را وادار کند تا بر روي سطح لغزش حرکت کند و Uh وظيفه دارد تا وضعيت را به سمت سطح لغزش حرکت دهد[١٣].
بزرگترين مساله روش مد لغزشي نحوه تعريف سطح سويچينگ مي باشد. اما مي توان گفت سطح سويچينگ را بايد دقيقا برابر خطا و در موارد خاص به صورت ترکيبي از خطاها در نظر گرفت . اين خطا در واقع همان خطايي است که مي خواهيم در سيستم مورد نظرمان به صفر برسد. آنچه باعث مي شود حالت ها به سمت سطح سويچينگ ميل
کنند، تابع لياپانوف مي باشد. با توجه به معادلات (١) حاکم بر شبکه TCP ، با تعريف
با در نظر گرفتن سطح s را به صورت :
براي اثبات پايداري تابع لياپانوف به صورت زير تعريف شده است :
براي قوام طراحي فرض مي کنيم :
با جايگزين کردن از معادلات (١) داريم :
با جايگذاري از رابطه (٨) :
با جايگذاري از رابطه (١) :
نامعيني هايي هستند که بايد باند بالايي آنها معلوم باشد و احتمال حذف بسته ها مي باشد که همان ورودي پلنت و خروجي کنترل کننده است [١٢]. در طراحي کنترل مد لغزشي با دو چالش مواجه خواهيم بود. با توجه به شکل (٣) حالت هاي سيستم از يک حالت اوليه شروع مي شوند و سپس سطح سويچينگ مثل آهنربا آنها را جذب مي کند در عمل پس از اينکه اين حالت ها به اين سطح مي رسند از آن کمي عبور کرده اما از آنجا که سطح مانند آهنربا عمل مي کند حالت ها دوباره به سطح سويچينگ بر ميگردندولي باز هم کمي از آن عبور مي کنند. اين اتفاق تا زمانيکه حالت ها به مبدا برسند ادامه دارد.از اين اتفاق به پديده چترينگ (chattering) ياد مي کنند. يکي از مشکلات عمده اين پديده اتلاف انرژي خواهد بود[٩].
شکل ٣: فاز رسيدن و سر خوردن بر روي سطح سوئيچينگ در حالت ايده عملي
در اين مقاله از ترکيب موازي LSMC براي رفع پديده چترينگ استفاده شده .چرا که ترکيب موازي SMC اين آزادي عمل را به ما مي دهد تا از طريق تنظيم پارامترهاي بيشتر سيستم را کنترل کنيم و پاسخ را بهبود بخشيم .
مساله ديگري که ما را به چالش ميکشد مساله تعيين قسمت در قانون کنترلي مد لغزشي است . همانطور که
