面向网络拥塞控制的主动队列管理机制研究

论文摘要

路由器主动队列管理机制是计算机网络拥塞控制的重要组成部分,是互联网的重要研究课题之一。1998年,IETF建议在路由器中采用主动队列管理（AQM）机制,在尽力服务网络中提供低延迟、低丢弃率、公平的服务。主动队列管理机制经过十几年的研究,提出了多种算法,但仍然没有一种获得广泛认可和应用的方案。AQM机制应用于大型研究项目如高速路由器尚存在许多问题需要研究。目前需要重点解决的问题包括:全面的AQM机制的性能分析;基于队列长度的AQM机制对于路由器缓存大小的依赖;大时延高带宽网络条件下AQM机制的性能;随网络条件的变化自动配置AQM机制的参数;AQM机制的稳定性和公平性。本文围绕上述关键问题展开了深入研究,并提出了有效的解决方案。论文首先通过仿真实验分析了11种具有代表性的AQM算法的性能,实验结果表明:基于队列长度的AQM算法性能依赖于路由器缓存大小,响应慢的AQM算法尤为明显;AQM算法在大延时的情况下容易出现队列的大幅振荡或者由于报文丢弃率高而引起队列缓冲区经常为空;根据特定网络条件计算参数的AQM算法对网络环境敏感;AQM算法的性能随着UDP流量所占比重的增加会不同程度下降。论文针对PI算法默认参数配置动态响应性能不佳的问题提出了一种二阶最优参数配置方法,在保证系统稳定裕量的同时改善了动态响应;讨论了先进控制技术在AQM算法中的应用,探讨了将几种AQM算法的优点结合起来的方法,并提出了P-Fuzzy-PI多模式模糊控制器;分析了基于队列长度的AQM算法性能与路由器缓存大小相关的原因,指出基于队列长度的AQM机制存在缓冲区饱和特性;研究了基于队列长度的AQM机制在饱和区进行补偿的方法,提出了一种带有饱和补偿的PI算法,有效缓解了算法性能与缓存大小之间的矛盾。改善大时延网络条件下AQM机制的性能是AQM研究的难点问题之一,主要原因在于网络延时处于高度变化中,不易设计延时补偿算法。AQM机制在拥塞检测的同时,其控制量也反映了流经该路由器的流的信息。论文利用路由器缓冲区队列管理产生的控制变量实时估测流经该路由器的流的数目以及流的平均延时,根据估测结果引入延时补偿,使AQM机制能够克服大时延的不利影响并进一步估测出更为准确的网络延时。仿真结果表明,网络延时估测和补偿机制改善了AQM算法在大时延网络条件下的性能。参数配置是主动队列管理算法研究的难点之一。本文提取了RED、PI、REM、AVQ、PD、PIP等典型AQM算法的共同特征,建立了主动队列管理的单神经元PID模型,并引入自适应机制,提出了自适应的PI算法和自适应的PIP算法。仿真实验结果表明,参数自配置方法减小了瞬时队列长度与参考队列长度的方差,有效缓解了根据特定网络条件配置AQM算法参数的局限性。针对一些文献的AQM算法设计偏重于提高算法的响应速度,论文讨论了AQM算法的稳定性与快速性的关系,分析了基于速率和基于队列长度的AQM机制的网络稳定性,提出AQM机制的设计应该在保证稳定裕量的前提下兼顾响应速度。论文讨论了AQM算法的公平性实现,借鉴CHOKe的设计思想提出了一种计算量小又能对贪婪流实施惩罚的FPI算法,通过仿真实验验证了算法的有效性。论文对主动队列管理的算法设计进行了深入的研究,重点研究了AQM机制的性能分析、基于二阶最优模型的PI算法、缓冲区饱和补偿算法、AQM延时估测和补偿算法、AQM机制的参数自适应算法、AQM机制的稳定性和公平性。论文的研究成果在大型研究项目如高速路由器的研制中具有良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 拥塞的产生及拥塞控制
• 1.1.2 路由器主动队列管理的基本原理
• 1.1.3 课题研究的意义
• 1.2 路由器主动队列管理的国内外研究概况
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.3 论文的研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 1.5 论文的主要贡献
• 1.6 本章小结
• 第二章 典型AQM 算法的性能分析
• 2.1 AQM 机制的性能与网络延时
• 2.2 AQM 机制的性能与网络带宽
• 2.3 AQM 机制的性能与路由器缓存大小
• 2.4 AQM 机制的性能与不同速率的流量分布
• 2.5 AQM 机制的性能与未建模流量
• 2.6 AQM 机制的性能与网络流量拓扑结构
• 2.7 AQM 路由器相互之间的性能影响
• 2.8 本章小结
• 第三章 基于TCP／AQM 控制模型的典型算法分析和改进
• 3.1 TCP/AQM 系统控制模型
• 3.2 RED、REM 算法的控制模型
• 3.2.1 RED 算法及其控制模型
• 3.2.2 REM 算法及其控制模型
• 3.2.3 AQM 算法控制特征分类
• 3.3 基于二阶最优模型的PI 算法参数配置
• 3.3.1 主动队列管理机制中的PI 算法
• 3.3.2 基于二阶最优模型的PI 参数配置
• 3.3.3 二阶最优模型参数配置的稳定性分析
• 3.3.4 性能评估
• 3.3.5 关于PI 算法动态响应的讨论
• 3.4 多模态模糊AQM 算法
• 3.4.1 多模态模糊AQM 算法
• 3.4.2 多模式模糊AQM 算法性能评估
• 3.5 基于队列长度AQM 机制的饱和补偿方法
• 3.5.1 饱和环节的补偿机制
• 3.5.2 有缓冲区饱和补偿的PI 算法
• 3.5.3 性能评估
• 3.6 本章小结
• 第四章 大延时条件下的主动队列管理机制研究
• 4.1 基于AQM 路由器的延时和负载估测方法
• 4.1.1 估测AQM 路由器的负载和延时
• 4.1.2 估测结果的偏差分析和校正
• 4.1.3 综合仿真实验
• 4.2 有延时补偿的AQM 算法ZNDC
• 4.2.1 Ziegler-Nichols 整定方法
• 4.2.2 ZNDC 算法的性能评价
• 4.3 本章小结
• 第五章 主动队列管理机制的自适应模型
• 5.1 主动队列管理机制的单神经元PID 模型
• 5.1.1 单神经元自适应PID 控制器
• 5.1.2 AQM 机制的单神经元PID 模型
• 5.2 单神经元PID 模型的自适应算法
• 5.2.1 以输出误差平方为性能指标的单神经元自适应PID 控制器
• 5.2.2 单神经元自适应的PI 算法
• 5.2.3 ANNPI 算法的性能评估
• 5.3 自适应的PIP 算法
• 5.3.1 PIP 算法
• 5.3.2 自适应的PIP 算法
• 5.3.3 性能评估
• 5.4 本章小结
• 第六章 AQM 机制的稳定性和公平性
• 6.1 主动队列管理机制的响应速度与稳定性
• 6.1.1 相位稳定裕度? 与阻尼比? 的关系
• 6.1.2 仿真实验
• 6.2 AQM 机制的网络稳定性分析
• 6.2.1 基于速率的AQM 网络稳定性分析方法
• 6.2.2 基于队列长度的AQM 网络稳定性分析方法
• 6.3 AQM 机制的公平性
• 6.4 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 论文所做的工作
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果