Transcript PPT
CPE 332 Computer Engineering Mathematics II Week 7 Part II, Chapter 6 Queuing System Continue Extra: PRNG Topics • Single Server, M/M/1 • Kendal Notation • Applications Queuing System Case 3: Delay System Limited Server=N; With Unlimited Queue < x 1 p0 ; 0 x N N N 1 k N x! k px ; p0 x N e N !( N ) k 0 k! P[T t ] et / Ts ; Ts 1 P[k ] N p0 ; x N k! N ! N Departure Rate = Arrival Rate = System, N Server Customer 1. 2. 3. 4. 5. 6. Customer สมมุตวิ า่ Customer แต่ละคนทีเ่ ข ้ามาเป็ น Poisson และได ้รับการ Service จากระบบทันที ้ เวลาทีใ่ ชในการ Service เป็ น Random สมมุตวิ า่ เป็ น Exponential ด ้วยเวลาเฉลีย ่ T ระบบสามารถรับ Customer ได ้ไม่จากัด แต่จะ Service ได ้สูงสุด N พร ้อมๆกัน ถ ้าทุก Server เต็ม Customer ใหม่จะต ้องรอใน Queue ในกรณีนจ ี้ ะเกิด Queuing Delay ระบบนีเ้ รียก M/M/N หรือ M/M/N/ แสดงได ้ด ้วย Simple Markov Model State Probability จะมีการกระจายแบบ Second Erlang (Erlang C) Distribution 0 1 2 N p i Pij p j Pji N+1 Queuing System Case 3: Delay System Server=1; With Unlimited Queue; M/M/1 < 1 P[k ] p0 1 1 (1 ) p x x (1 ) k e k! Arrival Rate = Departure Rate = System, 1 Server Customer 1. 2. 3. 4. 5. 6. P[T t ] et / Ts ; Ts 1 Customer สมมุตวิ า่ Customer แต่ละคนทีเ่ ข ้ามาเป็ น Poisson และได ้รับการ Service จากระบบทันที ้ เวลาทีใ่ ชในการ Service เป็ น Random สมมุตวิ า่ เป็ น Exponential ด ้วยเวลาเฉลีย ่ T ระบบสามารถรับ Customer ได ้ไม่จากัด แต่จะ Service ได ้ครัง้ ละคน ถ ้าทุก Server เต็ม Customer ใหม่จะต ้องรอใน Queue ในกรณีนจ ี้ ะเกิด Queuing Delay ระบบนีเ้ รียก M/M/1 หรือ M/M/1/ แสดงได ้ด ้วย Simple Markov Model State Probability จะมีการกระจายแบบ Second Erlang (Erlang C) Distribution 0 1 2 i p i Pij p j Pji j M/M/1: Summary S =1/Ts Arrival = Poisson, Inter Arrival Time = Exponential, 1/ Service Rate, Service Time, Ts (1/) = Exponential Queue = FIFO 1 Server Queuing Model(1 Server); M/M/1 Queue = 0, No Delay Queue = Delay 0 Server ว่าง arrival rate 1 N+1 N+2 X Server Busy 1/Ts = service rate For each server 1 / Ts การทางานของ M/M/1 State = 0 No Q Delay Queue Empty State = 1 State = x; Queue = infinity Delay Customer Wait in Q State = x; x = Q+1 กรณีท ี่ Queue มีขนาดจากัด = Q Severe Delay Queue Overflow (Full) Congestion Packet Lost Kendal Notation Kendal Notation Kendal Notation Analysis ของ M/M/1 • สมมุตต ิ อนแรกว่า Queue มีขนาดไม่จากัด • ใช ้ M/M/1 ในการ Model แต่ละ Port ของ Router (หรือ Switch L3) • Arrival คือจานวน Packet ทีเ่ ข ้ามาในชว่ งเวลาหนึง่ ปกติ วัดเป็ น pps • ขนาดของ Packet สมมุตวิ า่ ไม่แน่นอน แต่มก ี ารกระจาย แบบ Exponential – Service Time ของแต่ละ Packet จะเป็ น Exponential ด ้วย ทัง้ นี้ ขึน ้ อยูก ่ บ ั ค่า Link Speed ของ Output Port • ค่า Server Utilization เท่ากับอัตราสว่ นของ Arrival Rate หารด ้วย Service Rate จะบ่งบอกอัตราสว่ นที่ Server จะ Busy และคือ Link Utilization ของ Output Port ด ้วย / Queuing in Communication NW and M/M/1 Arrival Rate Service Rate = 1/Service Time 1/ Ts / Ts Example • Router ได ้รับ Packet เฉลีย ่ 8 pps – ความยาวของ Packet มีการกระจายแบบ Exponential ด ้วยความยาวเฉลีย ่ 500 Octet – Link ทีจ ่ ะสง่ ออกไป มีความเร็ว 64 kbps • 1. Arrival Rate, = 8 pps • 2. ความยาวเฉลีย ่ ของ Packet = 4000 bit • 3. ความเร็ว Link = 64 k ดังนัน ้ Service Time, Ts ของแต่ละ Packet = 4000/64k = 1/16 • 4. Service Rate() = 16 pps • 5. Server Utilization = 8/16 =0.5 = 50% Assumption • 1. อย่าลืมว่า Packet ทีเ่ ข ้ามา ต ้องเป็ น Independent และ Random มันจึงเป็ น Poisson • 2. ความยาวของ Packet จะสมมุตวิ า่ เป็ น Exponential ดังนัน ้ Service Time จะเป็ น Exponential ด ้วย แม ้ว่าสมมุตฐิ านนีจ ้ ะไม่ ถูกต ้องนัก • 3. มี Output Link เดียว คือเป็ น Single Server • 4. ดังนีแ ้ ล ้ว จึงจะเป็ น M/M/1 Utilization • Utilization บอกอัตราสว่ นที่ Server จะ ั พันธ์กบ Busy และสม ั Probability ที่ Queue จะว่าง – Probability ที่ Server ว่าง 1 • ใน Network คือคือ Probability ที่ Output Link จะ Busy ด ้วย / Ts Arrival Rate • เนือ ่ งจาก Arrival Rate มีการกระจายแบบ Poisson ดังนัน ้ ถ ้าให ้ เป็ นอัตราเฉลีย ่ ของ Customer (Packet) ทีเ่ ข ้ามาใน ชว่ งเวลา 1 วินาที – Probability ทีจ ่ ะมี k customer (Packet) เข ้า มาในชว่ งเวลา T วินาทีจะหาได ้จาก ( T ) k e T p( X k ) p(k ) k! p(0) e T Service Time • Ts เป็ น Service Time เฉลีย ่ และ Service Rate หาได ้จาก 1/ Ts • เนือ ่ งจาก Service Time เป็ น Random Variable ทีม ่ ก ี ารกระจายแบบ Exponential ดังนัน ้ Probability ที่ Service Time จะมี ค่าน ้อยกว่า T จะเป็ น p(t T ) 1 e T / Ts Queue Distribution • การกระจายของ Customer (State Probability) สามารถคานวณได ้จาก Probability ที่ ระบบ จะมี k Packet อยูด ่ งั นี้ pk p0 (Ts ) k • โดยที่ p0 คือ Probability ที่ ระบบ จะว่าง p0 1 1 Ts k k p ( 1 T )( T ) ( 1 ) • ดังนัน ้ เราได ้ k s s • กล่าวคือ การกระจายของ Customer ในระบบ หรือค่า State Probability จะเป็ น Geometric Distribution ค่าเฉลี่ย Customer ในระบบ, N คือค่าเฉลี่ย ของ State, 𝐸[𝑋] จาก 𝑃 𝑋 = 𝑥 = 𝑝𝑥 = 1 − 𝜌 𝜌 𝑥 เราได ้ ∞ 𝑥 𝐸𝑋 = ∞ 𝑥 𝑝 = (1 − 𝜌) 𝑥𝜌 𝑥 𝑥=0 𝑥=0 แต่จาก (CPE231) ∞ 𝑥−1 𝑥𝜌 𝑥=0 ดังนัน ้ 𝑋 = 1−𝜌 𝜌 ∞ 𝑥−1 𝑥𝜌 𝑥=0 1 = (1−𝜌) 2 = 𝜌 1−𝜌 Queuing Delay • จาก Geometric Distribution ค่าเฉลีย ่ คือจานวน Customer เฉลีย ่ คือจานวน Packet เฉลีย ่ ในระบบ จะหาได ้จาก N 1 • ถ ้าคิดเฉพาะจานวน Customer เฉลีย ่ ใน Queue เราจะได ้ 2 NQ N 1 1 Queuing Delay • สาหรับ Network ค่าเฉลีย ่ จานวน Packet เฉลีย ่ ใน ระบบ และใน Queue จะหาได ้จาก 2 N NQ 1 1 ้ • ถ ้าแต่ละ Packet ต ้องใชเวลาเฉลี ย ่ ในการ Service Ts ดังนัน ้ ค่า Queuing Delay จะเป็ น Ts W 1 System Delay ้ • แต่ละ Packet ต ้องใชเวลาเฉลี ย ่ ในการ Service Ts ดังนัน ้ ค่า Queuing Delay จะเป็ น T W s 1 • และเวลาเฉลีย ่ ทัง้ หมดทีล ่ ก ู ค ้าจะต ้องรอใน ระบบทัง้ หมดจะเป็ น 1 1 T W Ts Little’s Theorem • ถ ้า T เป็ นเวลาเฉลีย ่ ทีล ่ ก ู ค ้าอยูใ่ นระบบ และ เป็ น Arrival Rate ดังนัน ้ จานวนลูกค ้า เฉลีย ่ ในระบบจะเท่ากับ N T N Q W สรุ ป M/M/1 สรุ ป M/M/1 สรุ ป M/M/1 M/M/1 Example 1 5 4 3 2 1 =? S =? 6 M/M/1 Example 1 M/M/1 Example 1 M/M/1 Example 1 M/M/1 Example 1 M/M/1 Example 2 =? =? M/M/1 Example 2 ่ ่งกีที ่ (รวมที ่ ่ ่งตอนใช้บริการ)เพือจะ ่ 4.ธนาคารต้องจ ัดทีนั นั ให้แน่ ใจว่าอย่างน้อย 80% ของผู ท ้ เข้ ี่ ามาจะได้น่งั ่ ่งกีที ่ (รวมที ่ ่ ่งตอนใช้บริการ)เพือจะ ่ 4.ธนาคารต้องจ ัดทีนั นั ให้แน่ ใจว่าอย่างน้อย 80% ของผู ท ้ เข้ ี่ ามาจะได้น่งั 𝑥=9 M/M/1 Example 3 M/M/1 Example 3 M/M/1 Example 3 End of Chapter 6 • HW6 Due Monday Noon – สง่ ทีพ ่ ห ี่ นึง่ เท่านั น ้ ก่อนเทีย ่ ง จันทร์ 29 ก.พ. ่ ะกร ้า หน ้าโต๊ะ Counter อย่าสง่ ผิดที่ – ใสต – เฉลยจะประกาศวันถัดไปบน Web • Next – Random Number Generator – Preparation for Midterm Exam Topics • • • • Random Number and Properties Random Number Test Pseudo Random Number Generator MT Exam Preparation Random Number • Random Number เป็ น Set ของตัวเลขที่ ่ ขึน สุม ้ มาแบบอิสระ(Random) และไม่ขน ึ้ ต่อ กัน (Independent) โดยมีคา่ การกระจาย (Distribution) ของชุดตัวเลข ตามที่ กาหนดแบบใดแบบหนึง่ ั พันธ์ • เลขแต่ละตัวทีส ่ ม ุ่ จะต ้องไม่มค ี วามสม กัน ทดสอบได ้จากค่า Correlation การใช้ งาน Random Number • • • • • • Gambling Statistical Sampling Simulation Cryptography Computer Games Hash Algorithm/Searching Algorithm Random Number Generation ้ นตัวกาเนิดชุดของตัวเลข • เป็ นอุปกรณ์ทใี่ ชเป็ Random ทีต ่ ้องการ – True Random Number Generator(TRNG) • ประกอบด ้วยอุปกรณ์ทาง Physic ทีใ่ ชก้ าเนิดตัวเลข • มักจะได ้จากแหล่งกาเนิดของ Noise ทีเ่ กิดตาม ธรรมชาติ – Thermal Noise/Shot Noise/Radioactive • หรือใช ้ Roulette Wheel – Pseudo Random Number Generator(PRNG) • Computational Algorithm จากสมการทาง คณิตศาสตร์ โดยเริม ่ จากตัวเลข “Seed” • มีคณ ุ สมบติเหมือนกับเป็ น Random แต่ม ี Period และ สามารถคานวณล่วงหน ้าตามสมการได ้ PRNG: Pseudo Random Number Generator: Linear Congruential Generator • เริม ่ จาก “Seed”, 𝑋0 และคานวณ Series 𝑋1 , 𝑋2 , 𝑋3 , … จากสมการ Recurrence 𝑋𝑛+1 = 𝑎𝑋𝑛 + 𝑏 𝑚𝑜𝑑 𝑚 – a, b และ m เป็ น Integer ปกติจะมีขนาดใหญ่; จานวนเลขสูงสุด ทีไ่ ม่ซ้ากันจะถูกกาหนดด ้วยค่า Modulus m • • • • • – Sequence ทีไ่ ด ้จะมีคา่ ระหว่าง [0,m) หรือ 0 ≤ 𝑋 < 𝑚 Seed 𝑋0 ; 0 ≤ 𝑋0 < 𝑚 Multiplier 𝑎; 0 < 𝑎 < 𝑚 Increment 𝑏; 0 ≤ 𝑏 < 𝑚 ถ ้า b = 0 เราเรียก Multiplicative Congruential Generator หรือ Lehmer Generator มิฉะนัน ้ แล ้วเราเรียก Mixed Congruential Generator ตัวเลขทีไ่ ด ้จะมีการกระจายแบบ Uniform ถ ้าต ้องการการกระจาย ้ แบบอืน ่ จะใชการ Transformation – Algorithm นีเ้ รียก LCG หรือ Linear Congruential Generator เป็ นวิธท ี งี่ า่ ยในการสร ้าง PRN Period of LCG • Period มีคา่ ได ้สูงสุดคือ m เรียก Full Period – บางกรณีจะได ้น ้อยกว่านัน ้ ขึน ้ อยูก ่ บ ั การเลือกค่า ‘a’ และในกรณีท ี่ b=0 • Generator จะมี Full Period ก็ตอ ่ เมือ ่ (Hull-Dobell Theorem) – 1. b และ m เป็ น Relative Prime – 2. a-1 จะต ้องสามารถหารได ้ด ้วยทุกๆ factor ทีเ่ ป็ นค่า prime ของ m – 3. a-1 จะต ้องหารได ้ด ้วย 4 ถ ้า m หารได ้ด ้วย 4 Parameters used • สว่ นใหญ่จะใช ้ LCG ที่ m มีคา่ เป็ นกาลังของ 2 ทีน ่ ย ิ มมากสุดคือ 232 และ 264 – MS Visual C++ ใช ้ m=232, a=214013,b=2531011 – MS Visual Basic 6 ใช ้ m=224, a=1140671485,b=12820163 คุณสมบัติ LCG • มีข ้อดีคอ ื คานวณได ้ง่าย แต่ให ้ Series ของ Random Number ทีม ่ ค ี ณ ุ สมบัตพ ิ อประมาณ เท่านัน ้ เพราะให ้ค่า Serial Correlation สูง ้ Monte Carlo – ไม่เหมาะกับการนาไปใชใน Simulation ้ Cryptography – ไม่เหมาะกับการนาไปใชใน • สามารถสร ้างได ้จากวงจร Linear Feedback Shift Register(LFSR) – ปกติวงจรนีจ ้ ะผลิต Stream ของ bit • ได ้ Uniform Distributed PRNG PRNG อื่นๆ เช่น • • • • • • • Blum Blum Shub Wichmann-Hill Multiply with Carry Mersenne Twister (นิยมมากสุด) Park-Miller RC4 Rule 30 Randomness Test • เพือ ่ หา Pattern ในชุด หรือ Series ของตัวเลข – ซงึ่ ไม่ควรจะมีอยูถ ่ ้าชุดตัวเลขเป็ น Random และ Independent อย่างแท ้จริง ้ • ใชในการทดสอบ และเปรียบเทียบ Algorithm ต่างๆ ้ ต PRNG โดยใชพื ้ น ทีใ่ ชผลิ ้ ฐานจาก – Statistical Test ทดสอบจากคุณสมบัตท ิ างสถิต ิ • Diehard Tests ประกอบด ้วยชุดของ Test • TestU01 library ประกอบด ้วย utilities สาหรับ statistical testing ของ uniform RNG – Transform ดูคณ ุ สมบัตเิ มือ ่ Transform • Hadamard Transform(Generalized FT) ั ซอนของตั ้ – Complexity ความซบ วเลข • Kolmogorov complexity Midterm Preparation ็ ต์ • เก็บ 35 เปอร์เซน • ไม่มก ี าร Make Up • สอบ 3 ชวั่ โมง บทที่ 1-6 – Monday 7 March; 13:30 – 16:30 ้ อ • ต ้องใชเครื ่ งคิดเลข – รุน ่ ตามทีค ่ ณะประกาศเท่านั น ้ ห ้ามใชอุ้ ปกรณ์อน ื่ ๆ • สมการทีส ่ าคัญจะให ้มา ไม่ต ้องจา • 6 ข้อ บทละ 1 ข้อ รวม 6 ข้อ เลือกทำ 5 ข้อ – 5 ข้อ 50 คะแนน คิดเป็น 35 % สมกำรทีใ่ ห้ ในกำรสอบ MT Review หัวข้ อออกสอบ • Chapter 1: Vector – – – – – Magnitude/Direction/Unit Vector Direction Cosine Component Vector/Position Vector Dot/Cross Product and Properties Equation of Line and Plane, Angle of Vectors • Chapter 2: Matrices – – – – – Types of Matrices, Minor, Cofactor, Diagonal Determinant by Expansion Inverse of Matrix Rank/Reduced Matrix (Process of Elimination) Homogeneous/Non Homogeneous Linear Eq. Review หัวข้ อออกสอบ • Chapter 3: Eigen Value/Vector/Diag – – – – Eigenvalues Eigenvectors Diagonalization Symmetric/Orthogonal Matrix • Chapter 4: Probability – – – – – – Conditional Probability/Bayes Rule Random Variable CDF/PDF/PMF; Poisson/Exponential Distribution Expectation Concept Mean, Mean Square, Variance Joint Random Variable, Correlation/Covariance Review หัวข้ อออกสอบ • Chapter 5: Random Process – – – – – Stationary/Ergodic Autocorrelation/Cross Correlation Counting/Poisson Process/Birth and Death Process MarKov Model; Global Balanced Equation Simple MarKov Model; Detail Balanced Equation • Chapter 6: Queuing System – – – – – M/M/1 Concept Arrival Rate/Inter Arrival Time Departure Rate/Service Time Utilization, P[X=k], P[X<=k] Average Customer(System/Q), Time(System/Q)