SOFTWARE DEFINED WIRELESS NETWORKING (SDWN)
Tin nhắn OpenFlow
Có 3 kiểu thông báo được OpenFlow hỗ trợ: “controller-to-switch”,
“asynchronous” và “symmetric” (xem Hình 2.7 để biết mô tả chi tiết về các loại thông báo)
Controller gửi các bản tin đến Switch, trong đó một số bản tin yêu cầu phản hồi từ Switch Controller có trách nhiệm giám sát và quản lý hành vi của Switch để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Asynchronous là các thông báo do Switch khởi tạo nhằm gửi cập nhật đến Controller, bao gồm thông tin về sự kiện mạng và thay đổi trạng thái của Switch.
Symmetric các thông báo có thể được khởi tạo bởi Controller hoặc
Switch và được gửi đi mà không cần thiết Chúng thường được sử dụng để khám phá thiết bị OpenFlow và giữ các thông báo còn tồn tại
Hình 2.9 Các loại OpenFlow Message
OpenFlow Switch là một loại Switch logic với nhiều bảng luồng, bảng nhóm, bảng đồng hồ và kênh OpenFlow để tương tác với Controller Nó duy trì liên lạc liên tục với Controller, vốn xử lý hoạt động của Switch qua giao thức OpenFlow Controller có khả năng thêm, sửa đổi hoặc xóa các mục trong bảng luồng, giúp phản ứng với lưu lượng theo hai cách: phản ứng trực tiếp với các gói dữ liệu hoặc chủ động dự đoán hành vi của chúng.
Hình 2.10 Các thành phần của một OpenFlow Switch
Mỗi bảng luồng chứa các mục nhập luồng mà các gói đến sẽ được khớp theo thông tin mạng, nhưng việc tra cứu bảng là cần thiết để xử lý các gói theo trình tự đúng Nhiều gói có thể cần được xử lý bởi nhiều mục nhập luồng khác nhau trong các bảng riêng biệt Do đó, OpenFlow thiết lập một chuỗi bảng luồng tuyến tính, gọi là Đường ống OpenFlow, cho phép các gói di chuyển qua các bảng khác nhau dựa trên các trường khớp và hướng dẫn từ mục nhập luồng đầu tiên.
Trong hệ thống OpenFlow, các bảng luồng được đánh số từ “0”, nơi gói tin đầu tiên được xử lý Tùy thuộc vào kết quả từ các lệnh trong mục nhập của bảng luồng đầu tiên, gói tin có thể được chuyển tiếp đến bảng tiếp theo Gói tin chỉ có thể di chuyển theo một chiều trong đường ống, không quay ngược lại, vì bảng xử lý chỉ có thể gửi đến bảng có chỉ số cao hơn Một gói tin có thể được xử lý bởi một bảng và sau đó chuyển tiếp đến cổng đầu ra, đến bộ điều khiển hoặc bị loại bỏ, tùy thuộc vào hướng dẫn trong mục nhập luồng tương ứng.
Trong quá trình xử lý qua đường ống, các gói chứa thông tin siêu dữ liệu và tập hành động có thể được điều chỉnh thông qua Write-Action hoặc Clear-Action trên trường Hướng dẫn Tại bảng cuối cùng, các hành động trong nhóm hành động sẽ được thực thi theo thứ tự đã định.
1 Sao chép TTL vào trong
2 Pop (Áp dụng tất cả các thẻ pop vào gói)
6 Sao chép TTL ra bên ngoài
8 Set (Áp dụng tất cả các hành động Set-Field)
9 QoS (Áp dụng tất cả các hành động QoS)
10 Nhóm (Áp dụng các hành động của nhóm nhóm liên quan theo thứ tự được chỉ định bởi danh sách)
11 Output (Chuyển tiếp gói tin đến cổng được chỉ định bởi hành động Output)
Mininet-WiFi là một nhánh mở rộng của trình giả lập mạng Mininet SDN, bổ sung các trạm WiFi ảo hóa và điểm truy cập dựa trên mạng không dây Linux Nó sử dụng trình điều khiển và mô phỏng không dây 80211_hwsim, cho phép hỗ trợ các thiết bị không dây trong kịch bản mạng Mininet Mininet-WiFi mô phỏng các thuộc tính của trạm di động như vị trí và chuyển động so với các điểm truy cập Thông qua việc thêm hoặc sửa đổi các lớp và tập lệnh, Mininet-WiFi không chỉ mở rộng mã nguồn của Mininet mà còn duy trì tất cả các khả năng mô phỏng SDN của trình giả lập mạng tiêu chuẩn.
Kiến trúc và thành phần
Các thành phần chính tạo nên một phần của sự phát triển của Mininet- WiFi được minh họa trong hình sau [5]:
Hình 2.12 Các thành phần của Mininet-WiFi
Trong không gian hạt nhân, module mac80211_hwsim đóng vai trò quan trọng trong việc tạo giao diện Wi-Fi ảo cho các trạm và điểm truy cập Bên cạnh đó, MLME (Media Access Control Layer Management Entity) được thực hiện tại các trạm, trong khi hostapd đảm nhận nhiệm vụ này ở phía điểm truy cập trong không gian người dùng.
Mininet-WiFi sử dụng một số tiện ích quan trọng như iw, iwconfig và wpa_supplicant để cấu hình và thu thập thông tin từ các giao diện không dây Trong đó, wpa_supplicant được kết hợp với Hostapd để hỗ trợ WPA (Wi-Fi Protected Access) Ngoài ra, TC (Traffic Control) là một tiện ích cơ bản trong không gian người dùng, được sử dụng để cấu hình bộ lập lịch gói hạt nhân Linux, giúp kiểm soát tốc độ, độ trễ, độ trễ mạng và mất gói Các thuộc tính này được áp dụng cho các giao diện ảo của các trạm và AP, mang lại độ trung thực cao hơn về hành vi của mạng không dây trong thế giới thực.
Hình 2.11 minh họa cấu trúc liên kết đơn giản với hai trạm hoặc máy chủ được tạo ra bằng Mininet-WiFi, trong đó các thành phần mới (được đánh dấu bằng màu xám) được tích hợp cùng với các khối xây dựng Mininet ban đầu Mặc dù các trạm được trang bị giao diện không dây mặc định, chúng cũng có khả năng kết nối với các điểm truy cập thông qua các liên kết có dây (veth pairs).
Hình 2.13 Các thành phần và kết nối trong mạng hai máy chủ được tạo bằng Mininet-WiFi
Chúng tôi đã tích hợp giao diện WiFi vào các trạm hiện có, cho phép kết nối với điểm truy cập qua giao diện (wlanX) thông qua một công tắc OpenFlow, với các khả năng AP được biểu thị bởi (ap1) Giống như Mininet, mạng ảo được tạo ra bằng cách sử dụng các tiến trình máy chủ trong không gian tên mạng của hệ điều hành Linux, kết nối thông qua các cặp Ethernet ảo (veth) Giao diện không dây ảo hóa thiết bị WiFi hoạt động ở chế độ chính cho các điểm truy cập và chế độ được quản lý cho các nhà ga.
Các trạm là thiết bị kết nối với điểm truy cập thông qua quá trình xác thực và liên kết Trong hệ thống của chúng tôi, mỗi trạm được gán một thẻ không dây (staX-wlan0), trong đó X sẽ được thay thế bằng số thứ tự của từng trạm.
Vì các máy chủ Mininet truyền thống được kết nối với một điểm truy cập, các trạm có thể giao tiếp với các máy chủ đó
Access Points là thiết bị quản lý các trạm liên kết, được ảo hóa thông qua daemon hostapd và sử dụng giao diện không dây ảo cho điểm truy cập và máy chủ xác thực Hiện tại, việc ảo hóa các điểm truy cập chưa có API cho phép người dùng cấu hình các tham số giống nhau, nhưng triển khai hiện tại đã bao gồm các tính năng quan trọng như SSID, kênh, chế độ, mật khẩu và mã hóa.
Cả hai trạm và điểm truy cập sử dụng cfg80211 để giao tiếp với trình điều khiển thiết bị không dây API cấu hình Linux 802.11 cung cấp kết nối giữa các trạm và mac80211 Khung giao tiếp trực tiếp với trình điều khiển thiết bị WiFi thông qua ổ cắm netlink (nl80211) được sử dụng để định cấu hình thiết bị cfg80211, đồng thời hỗ trợ giao tiếp giữa kernel và user-space.
Files
• mininet/wifiAssosystemControl.py - kỹ thuật điều khiển liên kết
• mininet/wifiLink.py - chi tiết liên kết
• mininet/wifiDevices.py - đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị thực
• mininet/wifiMobility.py - thông số di động
• mininet/wifiModule.py - mô-đun
• mininet/wifiPlot.py - đồ thị
• mininet/wifiPropagationModels.py - mô hình lan truyền
• mininet/wifiReplaying.py - phát lại các dấu vết đã chụp
• mininet/vanet.py - mạng VANET
Classes
• UserAP(): AP không gian người dùng
• addHost(): thêm máy chủ vào cấu trúc liên kết và trả về tên máy chủ
• addAccessPoint(): thêm điểm truy cập vào cấu trúc liên kết và trả về tên điểm truy cập
• addCar(): thêm ô tô vào cấu trúc liên kết và trả về tên ô tô
• addPhysicalBaseStation(): gắn giao diện usb vật lý vào trạm cơ sở ảo vào cấu trúc liên kếtvà trả về tên trạm gốc vật lý
• addStation(): thêm một trạm vào cấu trúc liên kết và trả về tên trạm
• addSwitch(): thêm một công tắc vào cấu trúc liên kết và trả về tên công tắc
Hàm addLink() được sử dụng để thêm liên kết hai chiều vào cấu trúc liên kết trong Mininet-WiFi, đồng thời trả về khóa liên kết, mặc dù khóa này không phải là yếu tố quan trọng Trong Mininet-WiFi, tất cả các liên kết đều mang tính hai chiều trừ khi có ghi chú khác.
• plotGraph(): sử dụng lớp này nếu bạn muốn vẽ đồ thị
• startMobility: hữu ích khi bạn muốn sử dụng một mô hình di động
Mô phỏng phương tiện không dây
Mininet-WiFi dựa trên hai cách tiếp cận để mô phỏng phương tiện không dây: tc và wmediumd.
Kiểm soát giao thông (TC)
Tc (Traffic Control) là một công cụ tiện ích trong không gian người dùng, cho phép cấu hình gói hạt nhân Linux Nó được sử dụng để thiết lập và quản lý lưu lượng mạng trong hệ điều hành Linux, giúp tối ưu hóa hiệu suất và kiểm soát băng thông.
Shaping là quá trình kiểm soát tốc độ truyền tải dữ liệu khi lưu lượng được định hình Nó không chỉ giúp giảm băng thông khả dụng mà còn hạn chế sự bùng nổ lưu lượng truy cập, từ đó cải thiện hành vi mạng Quá trình shaping diễn ra ở đầu ra.
Bằng cách lập lịch truyền các gói, khả năng tương tác cho lưu lượng truy cập cần lập lịch có thể được cải thiện, đồng thời đảm bảo băng thông cho việc truyền hàng loạt Sắp xếp lại, hay còn gọi là ưu tiên, chỉ diễn ra khi có đầu ra.
• Policing: Nơi định hình giao dịch với việc truyền lưu lượng, chính sách liên quan đến lưu lượng đến Chính sách do đó xảy ra khi xâm nhập
Việc giảm lưu lượng khi vượt quá băng thông quy định có thể xảy ra ngay lập tức, cả trong quá trình xâm nhập và trên đầu ra Các thuộc tính này đã được sử dụng để thiết lập các giá trị cho băng thông, suy hao, độ trễ và chậm trễ trong Mininet-WiFi Tc là phương pháp đầu tiên được áp dụng trong Mininet-WiFi nhằm mô phỏng mạng không dây trung bình.
Thiết bị Khối chức năng Trung gian (IFB)
Có hai chế độ định hình lưu lượng là đi vào (ingress) và đi ra (egress) Chế độ ingress xử lý lưu lượng truy cập đến và đi ra Trong khi Linux không hỗ trợ định hình hay xếp hàng cho lưu lượng nhập, nó chỉ cho phép lập chính sách Để khắc phục vấn đề này, IFB (Intermediate Functional Block) được sử dụng, cho phép đính kèm vào hàng đợi nhập và có thể thêm bất kỳ hàng đợi bình thường nào tương tự như hàng đợi đầu ra trên thiết bị IFB.
Khối chức năng trung gian (IFB) là giải pháp thay thế cho bộ lọc tc trong việc xử lý lưu lượng truy cập xâm nhập, bằng cách chuyển hướng lưu lượng đến một giao diện ảo và xem đó là lưu lượng đầu ra Để sử dụng IFB, cần gọi net.useIFB() ngay sau khi thêm tất cả các nút và trước khi thực hiện net.configureWifiNodes() Thông tin chi tiết về IFB có thể tìm thấy tại http://shorewall.net/traffic_shaping.htm#IFB.
Khi một nút di chuyển, các giá trị như băng thông, độ trễ, mất mát và độ trễ sẽ được áp dụng dựa trên phương trình cụ thể Những phương trình này có thể được tùy chỉnh thông qua hàm setChannelEquation().
#dist = khoảng cách giữa máy thu và máy phát
#custombw = là giá trị mặc định cho bw có tính đến RSSI net.setChannelEquation (bw = 'value.rate * (1.1 ** -dist)' , loss '(dist*2)/100', delay = '(dist / 10) + 1', latency = '2 + dist')
Wmediumd
Mô-đun hạt nhân mac80211_hwsim sử dụng cùng một phương tiện ảo cho tất cả các nút không dây, cho phép chúng nằm trong phạm vi phát hiện lẫn nhau trong quá trình quét không dây Mininet-WiFi mô phỏng vị trí và phạm vi không dây bằng cách chỉ định các trạm đến các điểm truy cập khác và thu hồi các liên kết không dây Để cách ly các giao diện không dây trong mạng adhoc hoặc lưới, wmediumd là giải pháp cần thiết, sử dụng điều phối viên để quản lý việc chuyển gói giữa các giao diện Patrick Groòe đã phát triển một trợ giúo nhỏ cho wmediumd, tích hợp vào Mininet-WiFi với hai chế độ hỗ trợ: chế độ động và chế độ tĩnh.
Chế độ động (Dynamic mode)
Chế độ động là sự lựa chọn tối ưu cho hầu hết các tình huống sử dụng, vì nó yêu cầu đầu vào từ Mininet-WiFi dưới dạng đối tượng Python Đồng thời, chế độ này cũng tự động truy xuất địa chỉ MAC cần thiết cho wmediumd thông qua API của Mininet.
Chế độ tĩnh (Static mode)
Chế độ tĩnh trong Mininet-WiFi sử dụng các địa chỉ MAC đã được cung cấp, trong khi chế độ động thường được ưa chuộng hơn Ưu điểm của chế độ tĩnh là không cần yêu cầu đối tượng trạm và dữ liệu có thể được cung cấp trước khi khởi động Mininet-WiFi Hỗ trợ chống nhiễu đã được cải thiện, cho phép wmediumd nắm bắt vị trí các nút và tính toán mức tín hiệu dựa trên khoảng cách giữa nguồn và đích Mô hình nhiễu của wmediumd dựa trên ngưỡng đánh giá kênh rõ ràng (CCA) để xác định tham số gây nhiễu Ý tưởng ban đầu về cả hai chế độ đã bị loại bỏ, vì wmediumd có thể hoạt động hiệu quả khi enable_wmediumd được đặt thành True.
Để sử dụng wmediumd, bạn cần đảm bảo rằng nó có thể được gọi bằng lệnh wmediumd, nghĩa là nó phải nằm trong thư mục /usr/bin hoặc bất kỳ đường dẫn nào được chỉ định qua biến môi trường PATH Bạn có thể tự động cài đặt wmediumd bằng cách sử dụng tùy chọn -l trong tệp util/install.sh, điều này sẽ sao chép nhị phân vào /usr/bin/wmediumd.
Cài đặt wmediumd trong Mininet-WiFi: sudo use / install.sh -W
Kiểm soát giao thông so với Wmediumd
Wmediumd đã được chứng minh là cách tiếp cận tốt nhất để mô phỏng phương tiện không dây Một sốlợi thế bao gồm:
• wmediumd cách ly các giao diện không dây với nhau
• wmediumd thực hiện thuật toán backoff TC chỉ dựa vào kỷ luật hàng đợi FIFO
• wmediumd quyết định khi nào liên kết phải được kích hoạt dựa trên mức tín hiệu
Các giá trị băng thông, suy hao, độ trễ và latency được xác định dựa trên ma trận, trong đó có tùy chọn để xác định tỷ lệ lỗi gói (PER) với ma trận bên ngoài theo tiêu chuẩn IEEE 802.11ax.
• Khuyên dùng wmediumd cho cả mạng adhoc và mạng lưới không dây.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN
Equal-cost multi-path (ECMP)
ECMP (Equal-Cost Multi-Path) cung cấp định tuyến đa đường khi nhiều con đường đến đích có cùng mức chi phí Trong trường hợp này, không có con đường nào ưu việt hơn, vì tất cả đều mang lại hiệu suất tương đương Việc lựa chọn nhiều con đường có thể tối ưu hóa định tuyến theo cách ngắn nhất ECMP chia sẻ luồng lưu lượng giữa các liên kết sẵn có thông qua lựa chọn ngẫu nhiên hoặc vòng lặp, giúp mạng cân bằng tải hiệu quả Điều này không chỉ nâng cao khả năng chịu lỗi và tính sẵn sàng mà còn tăng cường thông lượng cho mạng.
ECMP (Equal-Cost Multi-Path) thường được sử dụng như một tính năng bổ sung cho các giao thức định tuyến như OSPF và IS-IS, giúp tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu Định tuyến nguồn cho phép thiết bị mạng xác định và xử lý toàn bộ tuyến đường của gói tin, thay vì để từng thiết bị trung gian quyết định Thông tin định tuyến được thêm vào tiêu đề gói, giúp tránh các quyết định định tuyến cục bộ và đảm bảo rằng toàn bộ đường dẫn của mỗi gói được biết ngay từ khi chúng được đưa vào mạng.
Hoạt động định tuyến nguồn dựa trên danh sách thiết bị trung gian và các liên kết trong tiêu đề gói tin tại thiết bị chuyển tiếp, cho phép gói tin di chuyển theo một chuỗi các bước đến đích Định tuyến nguồn hỗ trợ sử dụng nhiều đường dẫn đồng thời trong mạng, cho phép thiết bị gửi chọn lựa các tuyến khác nhau cho từng gói tin Nghiên cứu cho thấy rằng trong môi trường SDN, định tuyến nguồn có thể là phương pháp thay thế hiệu quả cho việc khởi tạo OpenFlow truyền thống.
Tiêu chuẩn hiệu suất mạng
Hiệu suất mạng từ góc độ khách hàng được hiểu là chất lượng dịch vụ mà người dùng cảm nhận, hay còn gọi là Chất lượng trải nghiệm (QoE) Các tham số hiệu suất mạng được quan sát để xác định các giá trị giới hạn nhận thức của khách hàng giữa truyền thông tối ưu và suy giảm Những tham số này giúp xác định mức Chất lượng dịch vụ (QoS) cho từng loại lưu lượng và đảm bảo tuân thủ các thỏa thuận mức dịch vụ (SLA) giữa nhà cung cấp dịch vụ mạng và khách hàng Các thông số chính để đo hiệu suất mạng bao gồm băng thông, thông lượng, độ trễ, độ biến thiên và tỷ lệ mất gói.
Băng thông trong mạng máy tính được định nghĩa là tốc độ bit hoặc dung lượng kênh có sẵn của một liên kết truyền thông, thường được biểu thị bằng bit trên giây (bps) Nó cũng có thể ám chỉ đến khả năng truyền tải thông tin theo đơn vị bit trên giây.
Thông lượng trong mạng máy tính là băng thông được truyền hoặc tiêu thụ, được đo bằng bit trên giây Khi lưu lượng được truyền đạt ở tốc độ của đường truyền, thông lượng mà mạng cung cấp cho giao tiếp đầu cuối là băng thông tối đa có thể nhận được.
➢ Delay: là khoảng thời gian giữa quá trình truyền và nhận một gói tin Có
Trong mạng máy tính, có hai loại độ trễ chính: độ trễ một chiều và Round Trip Time (RTT) Độ trễ một chiều là khoảng thời gian mà một gói dữ liệu di chuyển từ nguồn đến đích, khó đo lường do cần đồng bộ hóa thời gian giữa hai điểm cuối, điều này thường tốn kém và phức tạp Độ trễ này quan trọng để đánh giá phản ứng của mạng trước các sự cố như lỗi liên kết và để giám sát việc tuân thủ SLA Ngược lại, RTT là thời gian mà một gói đi từ nguồn đến đích và trở về, thường được sử dụng hơn vì dễ đo lường từ hầu hết các thiết bị, nhưng lại kém chính xác trong việc phát hiện phản ứng của mạng trước sự cố Cần lưu ý rằng độ trễ một chiều không đơn giản là RTT chia cho 2, vì thời gian đi và về có thể khác nhau.
Jitter là biến thể của độ trễ trong giao tiếp đầu cuối, thể hiện sự không ổn định trong quá trình truyền tải dữ liệu Trong một hệ thống truyền tải với tốc độ bit cố định, jitter phản ánh sự biến đổi của chu kỳ truyền Tham số này không được mong muốn trong các mạng máy tính, vì nó có thể làm giảm chất lượng lưu lượng truyền tải, đặc biệt là đối với các ứng dụng phụ thuộc vào giao tiếp thời gian thực như thoại và video.
Mất gói, hay còn gọi là packet loss, là hiện tượng xảy ra khi một số gói dữ liệu không được truyền tải thành công qua mạng Nguyên nhân chính của mất gói có thể là do lỗi trong quá trình truyền tải hoặc do khả năng xử lý lưu lượng của mạng không đáp ứng đủ băng thông và thông lượng cần thiết.
Mạng có nhiều loại lưu lượng, mỗi loại yêu cầu hiệu suất khác nhau để đảm bảo QoS và SLA Đặc biệt, lưu lượng thoại là loại quan trọng nhất cần được chú trọng, vì nó yêu cầu truyền tải thời gian thực qua mạng Độ trễ và chập chờn cao hoặc thiếu băng thông có thể làm suy giảm chất lượng giao tiếp bằng giọng nói, gây ra hiện tượng khoảng trống âm thanh hoặc gián đoạn Theo khuyến nghị của ITU và một số nhà cung cấp, các thông số cụ thể cần được thiết lập để đảm bảo hiệu suất mạng tối ưu cho truyền thông VoIP.
Hình 3.1 Thông số hiệu suất mạng
Giới hạn trễ một chiều được quy định bởi khuyến nghị ITU-T G.114, với mức trễ lên đến 400ms có thể chấp nhận cho một số loại lưu lượng, tuy nhiên các nhà cung cấp mạng cần lưu ý đến ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền Mặc dù chưa có tiêu chuẩn đồng thuận về giới hạn cho jitter, nghiên cứu của Cisco Systems Inc cho thấy chất lượng liên lạc thoại bắt đầu suy giảm khi jitter vượt quá 30ms Đối với băng thông được đảm bảo, các nhà cung cấp cần đảm bảo rằng liên kết vật lý có thể đáp ứng tất cả lưu lượng mong muốn.
Chuyển tiếp chủ động là thuật ngữ mô tả phương pháp thiết lập đường dẫn thông qua khởi tạo chủ động OpenFlow, xác định quy tắc luồng trong chuyển mạch L2 để dự đoán lưu lượng và xây dựng các đường dẫn end-to-end trong mạng SDN Hầu hết các nhà cung cấp SDN áp dụng chuyển tiếp chủ động như một hình thức định tuyến đường dẫn ngắn nhất, sử dụng các thuật toán Dijkstra để tính toán đường dẫn hiệu quả.
Phương pháp chuyển tiếp chủ động thiết lập các đường dẫn end-to-end bằng cách sử dụng địa chỉ MAC nguồn và đích, xác định các mục luồng để thêm vào bảng luồng của thiết bị chuyển mạch Chỉ những công tắc liên quan trong đường dẫn nhận bản cập nhật trên bảng luồng để xác định các hành động chuyển tiếp tiếp theo Bộ điều khiển SDN khởi động quá trình này khi nhận gói tin đầu tiên và dự đoán lưu lượng còn lại, sau đó tải tất cả các luồng cần thiết đến các công tắc liên quan để thiết lập đường dẫn.
Hình 3.2 Mô hình chuyển tiếp chủ động
Khi switch nhận gói tin đầu tiên mà không biết đường đi đến đích, nó sẽ gửi thông báo OpenFlow (OFPT_PACKET_IN) đến Controller để xác định lộ trình SDN Controller sẽ sử dụng thông tin địa chỉ MAC trong tiêu đề gói để tính toán đường dẫn ngắn nhất đến đích, dựa trên các yếu tố như số bước nhảy, băng thông liên kết và độ trễ.
Sau khi xác định đường dẫn, SDN Controller gửi hướng dẫn luồng đến các Switch liên quan và phát đi bản tin OFPT_PACKET_OUT đến Switch đầu tiên để phản hồi OFPT_PACKET_IN, xác định hành động chuyển tiếp cho gói tin đầu tiên Switch sẽ tải xuống bảng chuyển mạch tương ứng, từ đó thiết lập đường dẫn end-to-end cho phép các gói tin tiếp theo với thông tin địa chỉ nguồn và đích giống nhau được chuyển tiếp trong toàn mạng mà không cần tham khảo lại SDN Controller.
GIẢI THUẬT MAB – ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
Sau khi xây dựng bài toán MAB như đã trình bày trong Chương 1, bước tiếp theo là thiết kế một thuật toán học tập nhằm đạt được các mục tiêu đã được xác định.
Trong bài toán MAB, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự tiếc nuối gia tăng theo lôgarit với số lượt chơi, chủ yếu tập trung vào việc thiết kế các chính sách tối ưu đơn hàng đơn giản Vì vậy, tác giả cũng tuân thủ tiêu chí này, nhằm kiểm soát số lượng nhánh chuyển đổi trong thuật toán học tập.
1 Đạt được bậc logarit tiếc E [R π (t)];
2 Đạt được RHC có kiểm soát
Trong các thuật toán học tập hiện tại, quyết định chọn nhánh được thực hiện cho mỗi lần chơi, nhưng ý tưởng là giảm chi phí phân phối mạng bằng cách duy trì các quyết định này cho nhiều lượt chơi liên tiếp, gọi là học tăng cường dựa trên khối Chúng ta phân loại thành hai loại mẫu khối: khối có độ dài không đổi và khối có chiều dài thay đổi Đối với khối không đổi, mỗi quyết định hành động có thể được giữ cho các lượt chơi liên tiếp, trong khi với khối thay đổi, cần kiểm soát chiều dài khối tăng dần theo thời gian Hai thuật toán UCB1 (Upper Confidence Bound version 1) và UCB2 sẽ được trình bày tiếp theo.
Thuật toán đề xuất bắt đầu bằng cách chọn mỗi NAP cho một khối gồm m vị trí liên tiếp, với m là một số nguyên lớn hơn một Sau đó, mạng sẽ tối đa hóa giá trị 𝑟̂ +√ 𝑛 2𝑚 log 𝑘.
𝛾 𝑛 là chọn để một khối, k là chỉ số khối, 𝑟̂ 𝑛 là giá trị trung bình mẫu của các phần thưởng cho truyền trong mạng n, γn là số khối mạng n được chọn [1]
STT Thuật toán 1: Thuật toán khối UCB1
1: Initiate: Khối chiều dài m , số mạng N
4: Chọn δ(k)=k cho một khối gồm m khe
STT Thuật toán 1: Thuật toán khối UCB1
Công thức 4.1: Giá trị hối tiếc của thuật toán khối UCB1 là tối ưu bậc, tức là
(4.1) RHC của UCB1 được giới hạn trên là
𝑚 𝑐 𝑚,𝑛 là chi phí chuyển nhượng tối đa đến tối ưu mạng n
Thuật toán khối UCB1 không chỉ đạt được sự hối tiếc bậc logarit mà còn kiểm soát được RHC, như thể hiện trong công thức 4.1 Tham số m đóng vai trò quan trọng trong cả hai khía cạnh này.
Thuật toán dựa trên thuật toán UCB2
Khác với chiều dài khối không đổi, một phương pháp khác là sử dụng biến khối độ dài để cập nhật thuật toán UCB2, mặc dù ban đầu tập trung vào việc tối ưu hóa sự hối tiếc mà không xem xét chi phí chuyển nhượng, vẫn hoạt động trong một khối tương tự như chiều dài khối thay đổi, giúp giảm chi phí chuyển mạch Thuật toán này bắt đầu bằng cách truyền N khe đầu tiên trong mỗi NAP một lần, đảm bảo rằng tất cả các NAP đều được người dùng truy cập.
Từ đó trở đi, thuật toán được cập nhật với độ dài khối ngày càng tăng Tại cuối mỗi khối, mạng 𝑛 ′ cho khối tiếp theo được xác định bởi
Giá trị trung bình mẫu của phần thưởng trong mạng n được biểu diễn bằng 𝑟̂ 𝑛, với 𝑎 𝑛 𝑖,𝜏 𝑛 là các yếu tố liên quan Số khối 𝛾𝑛 nlà số khối mà mạng n được chọn, trong khi i đại diện cho tổng chỉ số khối Hàm 𝑣(γ) được xác định bởi công thức [(1 + 𝛼) 𝛾], và 𝑎 𝑖,𝛾 được tính bằng √(1+𝛼) log[𝑒𝑖/𝑣(𝛾)].
2𝑣(𝛾) , 0 < 𝛼 < 1 là một tham số điều khiển mô hình tăng trưởng của chiều dài khối
Lưu ý rằng 𝜈(𝛾 𝛿(𝑖) + 1) − 𝜈(𝛾 𝛿(𝑖) ) là khối độ dài thường tăng theo 𝜈(𝛾 𝛿(𝑖) ) nghĩa là, mạng càng được chọn nhiều thì chiều dài khối mà mạng này được chọn lớn hơn
STT Thuật toán 2: Thuật toán khối UCB2
4: Chọn mạng 𝛿(𝑖) = 𝑖 cho một khe.
𝑛∈𝑁{𝑟̂ + 𝑎 𝑛 𝑖,𝛾 𝑛 } cho các khe kế tiếp 𝑣(𝛾 𝛿(𝑖) + 1) − 𝑣(𝛾 𝛿(𝑖) ).
Cập nhật 𝛾 𝛿(𝑖) = 𝛾 𝛿(𝑖) + 1, 𝑟̂ 𝑛 là giá trị trung bình mẫu của phần thưởng để truyền một khe trong mạng n.
Dựa trên độ tiếc ban đầu của thuật toán UCB2, tương đương với
Công thức 4.2: RHC của thuật toán lựa chọn mạng dựa trên UCB2 cho bất kỳ t ≥ max
(4.4) sự hối tiếc của UCB2 có giới hạn trên là
𝑘∈𝑁 𝑐 𝑘,𝑛 là chi phí chuyển giao tối đa cho mạng ∆ 𝑛 = 𝜇 𝑛 ∗ −𝜇 𝑛
Giới hạn RHC có dạng log (log 𝑡) t, giảm dần khi t tăng So với thuật toán UCB1, RHC trong UCB2 cho thấy tốc độ giảm nhanh hơn Tham số α đóng vai trò quan trọng cho cả sự hối tiếc và RHC.
TRIỂN KHAI
Máy ảo mininet-wifi/Ubuntu(VM)
Mininet-wifi là một trình giả lập mạng mạnh mẽ, cho phép thực hiện các tác vụ mạng hoàn chỉnh trên máy cục bộ Phần mềm này có khả năng tạo ra mạng ảo với các thành phần như Controller, switches, hosts và các kết nối ảo Mininet Switch hỗ trợ OpenFlow, giúp tùy chỉnh định tuyến và quản lý SDN Chạy trên nền tảng Linux, Mininet mang lại môi trường thử nghiệm đơn giản và tiết kiệm chi phí để phát triển ứng dụng OpenFlow Nó cho phép thử nghiệm đồng thời và độc lập trên cùng một topology, hỗ trợ kiểm tra các topology phức tạp mà không cần kết nối với mạng vật lý.
Thông tin cấu hình cho máy ảo hóa: 1vCPU, 4096 MB-RAM
Thông tin OS: Ubuntu (64-bit) – LTS, version 20.04
Thông tin mininet-wifi: mininet version 2.5
Khởi tạo mô hình LAB
Khai báo mô hình gồm:
In the network setup, we initialize two stations, sta1 and sta2, with unique MAC addresses and specific arguments Additionally, three access points are added: ap1 with SSID 'ssid-ap1' on channel 1 at position (10,30,0), ap2 with SSID 'ssid-ap2' on channel 6 at position (50,30,0), and ap3 with SSID 'ssid-ap3' on channel 9 at position (40,60,0) Finally, a controller named c1 is integrated into the network.
Kịch bản thí nghiệm (di chuyển Mobile)
Initialize stations at positions sta1=('10,35,0') and sta2=('10,40,0') to move towards locations sta1=('50,70,0') and sta2=('25,40,0') Utilize the Random movement algorithm by implementing net.setMobilityModel with parameters time=0, model='RandomDirection', max_x0, max_y0, and seed.
Trong quá trình di chuyển, mức tín hiệu của các điểm kết nối mạng thu được suy hao và thay đổi theo hàm: net.setPropagationModel(model="logDistance", exp=5)
Nút mạng tự động quản lý kết nối và ngắt kết nối các trạm dựa trên cường độ tín hiệu và mức tải của các điểm truy cập.
• Tải ít nhất đầu tiên (Least Loaded First - llf),
• Tín hiệu mạnh nhất đầu tiên (Strongest Signal First - ssf)
Trong bài này nút mạng thực hiện chuyển mạng theo điểm truy cập mạng có tín hiệu mạnh nhất (theo khoảng cách) net.startMobility(time=0, ac_method='ssf’)
Kết quả mô phỏng việc di chuyển nút mạng
Ban đầu sta1 kết nối với ap1, kết thúc di chuyển sta1 kết nối với ap3
Khoảng cách ban đầu từ sta1 tới ap1 là 5m tới ap3 là 39.05m,
Kết thúc di chuyển thì từ sta1 tới ap1 là 55.93m tới ap3 là 13.51m
Trong môi trường giao thoa của ba mạng WLAN1, WLAN2 và LTE, việc lựa chọn mạng được thực hiện thông qua hai thuật toán RL đã được đề xuất Mô hình hóa băng thông và độ trễ trong mạng sử dụng mô hình rời rạc, với các đơn vị băng thông và độ trễ cụ thể cho từng mạng WLAN1 và WLAN2 có băng thông tối đa là 10b unit và 8b unit, trong khi LTE có băng thông tối đa là 8b unit Độ trễ tối đa và tối thiểu cho từng mạng cũng được xác định rõ ràng Mạng được coi là cố định nếu phân phối thống kê của độ trễ không thay đổi qua các khe thời gian Chi phí chuyển giao giữa WLAN1 và WLAN2 là thấp, trong khi chi phí giữa LTE và WLAN cao hơn Các thí nghiệm mô phỏng xem xét tác động của băng thông và độ trễ lên phần thưởng của người dùng, từ đó xác định hàm lợi ích r(b,d).
Công thức 𝑟(𝑏, 𝑑) = 𝑤𝑓1(𝑏) + (1 − 𝑤)𝑓2(𝑑) mô tả mối quan hệ giữa băng thông (b) và độ trễ (d) thu được từ thực nghiệm Trong đó, f1(b) đại diện cho phần thưởng liên quan đến băng thông, trong khi f2(d) thể hiện phần thưởng liên quan đến độ trễ.
Trọng số 0 ≤ 𝑤 ≤ 1 xác định tầm quan trọng của phần thưởng băng thông và phần thưởng độ trễ Trong hàm 𝑓1(𝑏), b min và b max đại diện cho ngưỡng băng thông tối thiểu và tối đa yêu cầu Khi băng thông vượt quá b max, người dùng không nhận thêm lợi ích, trong khi b min là ngưỡng cần thiết để nhận phần thưởng tích cực Phần thưởng băng thông tăng tuyến tính trong khoảng [b min, b max] Tương tự, d min và d max là các ngưỡng độ trễ trong hàm 𝑓2(𝑑) Các ngưỡng băng thông, độ trễ và trọng số w có thể được điều chỉnh theo khuyến nghị hoặc tùy chọn của người dùng Trong nghiên cứu này, giá trị cụ thể được sử dụng là b min = 0.5Mbps, b max = 8Mbps, d min = 0ms, d max = 0ms, và w = 0.5.
Hình 5.1 và 5.2 minh họa các lần chạy mẫu của thuật toán UCB1 (m) và UCB2 với α=0.05 Kết quả cho thấy tỷ lệ lựa chọn NAP (WLAN1) chiếm ưu thế và gia tăng theo thời gian ở cả hai thuật toán Tuy nhiên, sự phát triển của hai thuật toán khác nhau do các quy tắc cập nhật và độ dài khối Cụ thể, giai đoạn tăng trưởng tuyến tính cho thấy độ dài khối trong UCB1 được giữ cố định, trong khi ở UCB2, độ dài khối tăng lên.
Hình 5.1 Một mẫu chạy thuật toán dựa trên khối UCB1
Hình 5.2 Một mẫu chạy thuật toán dựa trên UCB2
Sự tiếc nuối của thuật toán dựa trên khối UCB1 được kiểm tra bằng cách điều chỉnh hai tham số m và α, cho thấy rằng hiệu suất của thuật toán bị ảnh hưởng bởi giá trị của m Kết quả từ 500 lần chạy với 1000 vị trí cho thấy sự tiếc nuối phát triển theo cách tuyến tính phụ thuộc vào chỉ số vị trí Các thuật toán UCB1 với m>1 đạt được sự hối tiếc nhỏ hơn đáng kể so với UCB1, và m lớn hơn dẫn đến sự hối tiếc nhỏ hơn Tuy nhiên, khi m vượt quá 8, độ dao động của sự tiếc nuối trở nên nghiêm trọng hơn, do sự tồn tại của các tập ngắn với sự trưởng thành tuyến tính trong tiếc nuối RHC của các thuật toán UCB1 cho thấy một đỉnh trong 100 vị trí đầu tiên và giảm dần theo chỉ số vị trí, điều này cho thấy trong giai đoạn đầu, mạng thường xuyên khám phá môi trường hơn Mạng tối ưu được chọn nhiều hơn khi thuật toán học tập tiến triển, dẫn đến sự phân phối trở nên dày đặc hơn Nhìn chung, RHC đỉnh và ổn định giảm khi m tăng, với trường hợp m=1 chịu RHC lớn nhất Kết quả này cho thấy việc giảm chi phí chuyển nhượng không nhất thiết dẫn đến mất phần thưởng, và khuyến nghị m trong khoảng 1
