基于主動隊列管理的擁塞控制策略及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、擁塞控制機制在維護網絡穩(wěn)定和保障服務質量上起著至關重要的作用,其主要由基于端到端的傳輸控制協議(Transmission Control Protocol,TCP)和基于路由的主動隊列管理(Active Queue Managment,AQM)組成。部署在路由端的AQM機制能夠主動的避免和緩解網絡擁塞,有著提高鏈路利用率、減少丟包率以及降低隊列排隊延時的優(yōu)勢。但研究表明,AQM算法面對動態(tài)突變以及混雜流量的網絡場景,存在參數配置難、隊列

2、性能不穩(wěn)定、鏈路利用率低等不足,進而引起了國內外學術界和工業(yè)界的關注。
　　 本文圍繞著這一系列問題展開了對AQM機制的深入研究。首先搭建了一個基于NS2(Network Simulator2)的算法設計/性能測試平臺,并通過此平臺對幾個典型的AQM算法進行分析和比較,歸納影響算法性能的主要因素。然后在此基礎上,分別提出了3種不同類型的AQM算法。最后,使用丟包概率增益代替復雜的AQM算法控制函數,從非線性分岔理論的角度,著重分

3、析了網絡時滯τ對擁塞控制系統穩(wěn)定性及動力學行為的影響。
　　 本文的主要工作和研究成果如下:
　　 1.針對目前國內外尚未有一個統一的AQM算法設計/測試框架,提出了一個基于NS2的AQM算法設計/性能測試平臺架構。該平臺包括四個模塊:AQM算法引擎模塊、性能分析模塊、網絡拓撲模塊和流量突發(fā)模塊。在分析和總結現實網絡中各類擁塞突發(fā)場景的基礎上,設計了一系列網絡測試場景,并在該平臺上驗證了幾種代表性的AQM算法性能。仿真結

4、果表明:網絡三元組(N,RTT,C)、短時Web流、非響應UDP(User Datagram Protocol)流以及AQM算法的擁塞檢測尺度和隊列控制函數,都將影響擁塞控制系統的性能。
　　 2.針對網絡流量突變場景,為提高算法的瞬態(tài)響應性能,提出一種帶加速因子的自適應SABlue(Self-tune Accelerate Blue)算法。該算法將瞬時隊列長度作為早期擁塞檢測參量,依據隊列負載因子控制丟包步長,實現丟包概率幅度

5、的自適應調整,最終將路由隊列長度穩(wěn)定在目標區(qū)域內。為了提高網絡突變跨度較大情況時算法的性能,在隊列警戒區(qū)域內引入了加速因子α,綜合考慮算法各性能指標,最終選取α∈[1.43.7]區(qū)間。仿真結果表明:由于加速因子的引入,SABlue算法的瞬時隊列收斂時間相對PI算法和SBlue算法快,且穩(wěn)態(tài)隊列控制性能與PI算法相當；同時,在面對各種突變的網絡場景時,SABlue算法的瞬時隊列收斂時間較短,鏈路利用率較高,丟包率較小,且具有一定的魯棒性。

6、
　　 3.針對復雜多變的網絡場景,為獲得更好的平滑過渡非線性控制輸出效果,提出一種基于活動流參數估計的自適應模糊NFL(adaptive Fuzzy-Logic algorithm withactive-flow-Number estimation)算法。本文在綜合權衡各性能指標的基礎上,設計了一組能適應一定網絡變化的模糊規(guī)則,并對該算法進行了運算優(yōu)化。為捕獲網絡突發(fā)流,引入了一種基于Bloom Filter的無狀態(tài)維護活動流

7、參數估計策略,并依此提出一個模糊AQM輸出增益補償器。仿真結果表明:面對負載動態(tài)變化時,相對同類型的。FAFC算法和FEM算法,NFL算法能較好的適應網絡變化,具有更快的收斂速度和穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)隊列控制性能。
　　 4.為了解決UDP/TCP混雜流場景中AQM算法存在公平性問題,提出了一種速率感知的多虛擬隊列RMVQ(Rate-perceptive Multi Virtual Queue)算法。該算法引入了區(qū)分服務思想,為UDP/T

8、CP流維護兩個邏輯上獨立的虛擬隊列,并對它們采用不同的擁塞控制策略。同時,根據活動流感知器提供的UDP流和TCP流負載特征,自適應動態(tài)的調整虛擬隊列大小。仿真結果表明,相對其他算法,在面對混雜流的場景,RMVQ算法不僅提高了鏈路吞吐量,也保障了流之間的競爭公平性。
　　 5.由于不確定的網絡時滯將會造成擁塞控制系統性能不穩(wěn)定,本文將AQM算法進行模型化抽象,使用丟包概率增益k代替復雜的AQM算法控制函數的輸出,來著重研究網絡時滯

9、τ對時滯GAIMD/AQM(Generalized Additive Increase Multiplicative Decrease/ActiveQueue Management)系統性能所造成的影響。通過分析時滯GAIMD/AQM系統的特征方程根分布情況,給出了關于時滯τ的系統穩(wěn)定性充要條件。同時,將時滯τ作為分岔參數,應用中心流形定理和規(guī)范型理論,推得系統的Hopf分岔存在條件、周期解的Hopf分岔方向以及穩(wěn)定性結論?；谏鲜鼋Y論