基于主动队列管理的拥塞控制算法的研究

论文摘要

主动队列管理（Active Queue Management,AQM）技术是IETF（Internet Engineering Task Force）推荐的基于路由器拥塞控制的关键技术。到目前为止已经出现了数十种主动队列管理算法。作为AQM算法的代表,随机早期检测（Random Early Detection,RED）算法被广泛地关注和研究。但是近期的大量研究表明RED算法存在公平性问题,它无法有效处理不响应拥塞通知的连接,而这样的连接经常会挤占大量的网络带宽,导致各种连接不公平地共享带宽;此外,它对网络的参数设置和运行状况比较敏感,会出现节点队列大幅振荡、吞吐量降低、时延增加等网络不稳定现象。本文针对AQM算法在公平性方面存在的问题进行了改进。本文首先介绍了拥塞控制算法的国内外研究现状,及现今的拥塞控制算法中存在的问题。阐述了拥塞、拥塞崩溃及拥塞控制的定义,分析拥塞形成的原因。重点针对拥塞控制算法中主动队列管理算法的公平性问题进行研究。具体分析以下五种算法:RED、FRED（Flow Random Early Detection）、CH0Ke（Choose and Keep for responsive flows Choose and Kill for unresponsive flows）、CSFQ（Core-stateless Fair Queue）、AFD（Approximate Fair Dropping）。后四种算法实现公平性的方法各不相同,实现公平的程度也不一样。由于RED算法本身不具有公平性,本文使用它作为没有公平性保证的参照。本文从理论上对上述算法进行了分析,结合仿真实验,在不同的网络环境下对这些算法的公平性能进行了比较。本文重点研究主动队列管理算法中的CHOKe算法,针对CHOKe算法对非适应流的惩罚力度不够,不能够很好地实现带宽的公平分配这一问题进行了深入研究。在此基础上本文提出了一种改进的基于丢弃优先级的W-CHOKe算法,并对W-CHOKe算法的实现进行了仿真实验。通过Linux下的网络仿真软件NS-2网络模拟器在同样拓扑结构的网络和链路、带宽、信息源等环境下对现有的三种CHOKe算法和W-CHOKe算法进行了仿真实验,来检测新算法的实现并对比四种算法性能。结果给出了W-CHOKe算法有效地控制了非适应流大量的挤占带宽,改进了CHOKe算法的性能。本文由六部分组成,第一章介绍了研究背景和意义;第二章介绍了拥塞控制的基本概念、队列管理算法的分类及主动队列管理算法的公平性问题;第三章介绍了五种典型的主动队列管理算法,并结合NS-2上实验比较上述算法的公平性能;第四章针对CHOKe算法的缺陷作了分析并提出改进的W-CHOKe算法,并对算法进行仿真实验。最后,第五章对本文的研究内容作了总结,并提出了进一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 拥塞控制算法的研究现状
• 1.3 拥塞控制算法目前存在的问题
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 本文的组织结构
• 第二章 Internet 拥塞控制基础及主动队列管理算法的公平性问题
• 2.1 基本概念
• 2.1.1 拥塞和拥塞崩溃
• 2.1.2 拥塞形成的原因
• 2.1.3 拥塞控制
• 2.1.4 拥塞控制算法的评价标准
• 2.2 队列管理机制
• 2.2.1 被动式队列管理及其缺陷
• 2.2.2 主动式队列管理及其优点
• 2.3 主动队列管理算法的主要思想
• 2.4 主动队列管理算法的公平性问题
• 2.5 本章小结
• 第三章 主动队列管理算法及公平性能比较
• 3.1 几种典型的主动队列管理算法
• 3.1.1 RED
• 3.1.2 FRED
• 3.1.3 CHOKe
• 3.1.4 CSFQ
• 3.1.5 AFD
• 3.2 仿真工具NS
• 3.2.1 NS 简介
• 3.2.2 NS 模拟的一般过程
• 3.3 几种典型的主动队列管理算法的公平性能比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于丢弃优先级的W-CHOKe 算法及仿真实现
• 4.1 CHOKe 算法的三种版本
• 4.2 CHOKe 算法的优缺点
• 4.3 W-CHOKe 算法
• 4.3.1 基本的W-CHOKe 算法
• 4.3.2 自适应的W-CHOKe 算法
• 4.4 W-CHOKe 算法的模拟仿真
• 4.5 实验结果分析
• 4.5.1 完全TCP 环境
• 4.5.2 完全UDP 环境
• 4.5.3 TCP 与UDP 共存环境
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 未来展望
• 附录 W-CHOKe 模拟实验部分代码
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢