基于時(shí)滯補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略

摘 要：中間節(jié)點(diǎn)上的主動(dòng)隊(duì)列管理策略在保證較高吞吐量的基礎(chǔ)上能有效控制隊(duì)列長(zhǎng)度和端到端時(shí)延，利用頻率域模型降階擬合方式建立了TCP流量控制中主動(dòng)隊(duì)列管理系統(tǒng)的等效模型，應(yīng)用控制理論中的內(nèi)模補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)魯棒的延時(shí)補(bǔ)償主動(dòng)隊(duì)列管理控制算法，克服了大時(shí)滯給對(duì)隊(duì)列穩(wěn)定造成的不利影響。仿真結(jié)果表明，該補(bǔ)償方法在長(zhǎng)時(shí)滯小期望隊(duì)列綜合性能明顯優(yōu)于已有的RED，REM，PI等算法，鏈路利用率大大提高。

關(guān)鍵詞：內(nèi)模補(bǔ)償；擁塞控制；長(zhǎng)時(shí)滯

中圖法分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001—3695(2007)02—0289—03

隨著Internet的發(fā)展，網(wǎng)上的業(yè)務(wù)變得日益繁忙，通信量的迅猛增長(zhǎng)使得網(wǎng)絡(luò)擁塞情況越來(lái)越嚴(yán)重。研究網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略成為一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)，相繼產(chǎn)生了不少有影響力的算法，如RED[1]， SRED[2]，Blue[3]，REM[4]，PI[5]和虛隊(duì)列的AQM[6，7]策略。RED的主要思想是用平均隊(duì)列長(zhǎng)度度量網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，然后以線性方式將擁塞信息反饋給端系統(tǒng)，但其算法性能敏感于設(shè)計(jì)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)狀況，隨著網(wǎng)絡(luò)中TCP連接線的增加，網(wǎng)關(guān)的平均隊(duì)列長(zhǎng)度會(huì)逐漸增加，造成隊(duì)列振蕩；SRED的主要思想是通過(guò)估測(cè)網(wǎng)絡(luò)中流的個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)整包標(biāo)記/丟失；Blue的主要思想是通過(guò)鏈路空閑和緩沖溢出的狀況來(lái)調(diào)整包標(biāo)記/丟失概率。已有的大多數(shù)策略和算法僅考慮了小延時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。本文著重研究長(zhǎng)延時(shí)WAN環(huán)境下對(duì)AQM策略穩(wěn)定性的影響，采用經(jīng)典控制理論中的內(nèi)模補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)了主動(dòng)隊(duì)列管理的長(zhǎng)延時(shí)補(bǔ)償控制器。仿真結(jié)果表明，這種策略呈現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)綜合性能優(yōu)于已有的算法，鏈路利用率提高了幾倍。

1 長(zhǎng)延時(shí)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略

1.1 TCP流量控制中AQM系統(tǒng)的模型

在文獻(xiàn)[8]中，采用流體理論建立了基于擁塞AQM路由器TCP動(dòng)態(tài)模型，它可以用如下一組非線性微分方程來(lái)描述：

1.2 內(nèi)模控制器的設(shè)計(jì)

內(nèi)模控制（IMC）為Gorcia和Morari[11]引進(jìn)，是近十年發(fā)展起來(lái)的一種新型控制算法，在許多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。Rivera等人[11]提出的內(nèi)模控制器由控制器和濾波器兩部分組成，兩者對(duì)系統(tǒng)的作用相對(duì)獨(dú)立，前者影響系統(tǒng)的響應(yīng)性能，尤其是對(duì)長(zhǎng)延時(shí)系統(tǒng)的補(bǔ)償性能，后者影響系統(tǒng)的魯棒性。內(nèi)模控制器克服了Smith預(yù)估器必須依賴精確模型的弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、跟蹤性能好、魯棒性強(qiáng)，能消除不可測(cè)干擾的影響，一直為控制界所重視。

為了使得控制系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，對(duì)本系統(tǒng)對(duì)象模型中的時(shí)滯環(huán)節(jié)用對(duì)稱一階Pade作近似簡(jiǎn)化處理，即

1.3 AQM算法設(shè)計(jì)

反饋控制器和內(nèi)模控制器關(guān)系為

2 仿真及其分析

采用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)延時(shí)補(bǔ)償?shù)腁QM算法進(jìn)行仿真研究，圖2為具有瓶頸的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其鏈路寬帶為15Mbps（3 750packets/s）。節(jié)點(diǎn)B與A之間廣播延時(shí)為190ms，RTT時(shí)間至少為400ms，期望的隊(duì)列長(zhǎng)度設(shè)定為150packets，得到如圖3—圖6所示的仿真結(jié)果。

從圖3中不難看出，延時(shí)補(bǔ)償?shù)腁QM控制迅速地將隊(duì)列長(zhǎng)度調(diào)節(jié)到了期望值附近，這一點(diǎn)圖4中的分組丟棄概率曲線的變化過(guò)程反映得更明顯。圖5是固定RTT時(shí)間，鏈路利用率隨期望隊(duì)列長(zhǎng)度從5packets變化到150packets的變化曲線，顯然延時(shí)補(bǔ)償?shù)腁QM算法的鏈路利用率受隊(duì)列長(zhǎng)度影響最小，REM在較小的期望隊(duì)列長(zhǎng)度處鏈路利用率只能達(dá)到30%—40%。圖6是將期望隊(duì)列長(zhǎng)度固定在150packets，鏈路利用率隨RTT中廣播延時(shí)部分從0變化到1 000ms的變化曲線，顯然所有算法中對(duì)延時(shí)利用率均有影響，但是對(duì)延時(shí)補(bǔ)償?shù)腁QM算法保持著最高的利用率。

3 結(jié)束語(yǔ)

主動(dòng)隊(duì)列管理是作用在網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)上的一種非常有效的擁塞控制策略，在保證較高吞吐量的同時(shí)，有效地控制了緩存隊(duì)列的長(zhǎng)度，從而為要求延時(shí)保證的業(yè)務(wù)提供一種良好的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。已有的大多數(shù)AQM算法在設(shè)計(jì)過(guò)程中均未考慮大時(shí)滯算法性能的影響，為此本文應(yīng)用控制理論中的內(nèi)模補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)了延時(shí)補(bǔ)償隊(duì)列管理控制算法。該控制算法既有較好的設(shè)定值響應(yīng)性能，又有較好的抗干擾性能和魯棒性能。通過(guò)仿真分析，比較了這種算法與已有的RED，REM和PI等典型算法在不同RTT時(shí)間和不同期望隊(duì)列長(zhǎng)度下的性能。結(jié)果表明這種算法大大抑制了隊(duì)列的不穩(wěn)定振蕩，鏈路利用率最高，尤其是在大延時(shí)、小期望隊(duì)列長(zhǎng)度的情況下具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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