专利名称：一种基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法
技术领域：
本发明涉及一种基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法。
背景技术：
实践证明，在网络中大部分业务流为响应性流的情况下，TCP端到端拥塞控制机制能够有效地防止拥塞崩溃现象的发生。然而，在网络拥塞的情况下，非响应性流(如UDP流)并不会降低其发送速率来响应拥塞，从而侵占更多的网络带宽，造成拥塞长时间得不到解除。因此，传统的端到端拥塞控制机制在公平性、延时和丢包率保证以及发生拥塞后恢复正常的响应性等问题上效率低下，更不用说提供网络服务质量的支持。为解决这些问题，主动队列管理(ActiveQueue Management，AQM)被推荐部署在网络中间节点来增强端到端拥塞控制。
AQM的主要技术目标包括如下四个方面(1)降低路由器的分组丢失率；(2)提供高吞吐量和低延时及延时抖动；(3)增强算法鲁棒性和响应性；(4)简单、有效，扩展性好，能部署到实际网络中。
在现有的AQM方法中，链路的拥塞通常通过队列长度、业务流的输入速率等拥塞测度来估计。(平均)队列长度被广泛用于RED及其变种算法。一些研究者们从理论分析和仿真实验两个方面对RED算法进行了性能评价。几乎所有的研究表明RED在参数配置方面存在严重的缺陷。针对这些不足，Floyd和其它的研究者们在RED参数配置方面做出了很多的努力，提出了gentle-RED，ARED和SRED等算法。不幸的是，这些针对RED参数配置问题所提出来的算法本身也存在这方面的问题，而且在特定的网络环境下仍然会出现严重的队列震荡，造成低吞吐量和高排队延时。Hollot依据TCP动态非线性流量模型的启发为AQM设计了PI控制器，但PI控制器的概率调节过分依赖于缓存，并存在响应性能差的缺点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法。本发明非常适用于网络时变特性特点，并且响应性能好。
本发明解决上述技术问题的技术方案包括如下步骤 在路由器上建立一个自适应的比例控制器； 测量路由器的分组丢失率； 根据路由器分组丢失率计算路由器的加权平均分组丢失率； 根据路由器的加权平均分组丢失率计算路由器的分组丢弃概率，根据分组丢弃概率丢弃分组。
上述的基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法中，所述路由器的分组丢失率为 上式中l(k)为第k次的分组丢失率，它是第k次的分组丢失率等于前M个测量周期时间内被丢失的数据总量与到达的数据总量的比值；D(i)为第i个周期丢失的数据包的个数；A(i)为第i个周期到达的数据包的个数。
上述的基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法中，所述路由器的加权平均分组丢失率为 l(k)＝w*l(k-1)+(1-w)*l(k) 上式中w是加权系数。
上述的基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法，所述路由器的分组丢弃概率为 p(t)＝l(k)+γ(·)(q(t)-q0) q(t)为路由器当前的缓冲队列长度；q0为预先设定的目标队列长度；γ(·)为比例控制参数。
本发明的技术效果在于本发明根据当前测量到的路由器平均分组丢失率来计算激活的TCP连接数，采用简单的比例控制器和基于二阶最优控制模型的极点配置法自适应的调整分组丢弃概率，以此调整路由器主动队列长度。本发明具有适应性强、鲁棒性高、算法实现简单的优越性能，在实现主动队列管理时可保证较高的链路利用率，同时减小了排队延时的特点。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的AQM控制框图； 图2为本发明的流程图； 图3为本发明的仿真实验拓扑图； 图4为本发明控制的队列变化； 图5为本发明中平均队长随TCP流数的变化； 图6为本发明中队列变化标准差随TCP流数的变化； 图7为本发明控制的队列变化(FTP流、UDP流、HTTP流共存)。
具体实施例方式 参见图1，图1为实现本发明的AQM控制框图。本发明应用二阶系统最优模型为主动队列管理(AQM，Active Queue Management)设计了一种称为AOPC(Adaptive Optimized Proportional Controller)的队列管理方法。图中的控制器G1(s)指路由器中使用的AQM方法，G2(s)是受控制的TCP/AQM系统的传递函数，这一函数描述了控制器是如何通过改变控制量p(t)来影响q(t)的。图1描述的控制系统是二阶线性系统。AOPC周期性地测量最近M个周期内的平均分组丢失率l(k)并在每个分组到达路由器时更新分组的丢弃概率。
首先测量最近M个周期的分组丢失率l(k) k为当前的测量时间点，T为测量周期，l(k)为第k次的分组丢失率，它是第k次的分组丢失率等于前M个测量周期时间内被丢失的数据总量与到达的数据总量的比值；D(i)为第i个周期丢失的数据包的个数；A(i)为第i个周期到达的数据包的个数。
通过加权滑动平均方法计算平均的分组丢失率l(k)，计算方法如下 l(k)＝w*l(k)+(1-w)*l(k) 其中，w为加权系数。
AOPC能够根据测量到的分组丢失率自适应地调整比例控制参数，这样能够解决很多AQM算法参数调节不灵活和改善对网络流量动态变化不适应的缺点。AOPC在每个新的分组到达后采用如下方程计算分组的丢弃概率 p＝l(k)+γ(q-q0)(1) 其中，γ是根据当前网络状况调整的可变参数，l(k)是测量到的分组丢失率。
将测量到的分组丢失率l(k)近似地看作当前网络状态下稳定的分组丢弃概率p0，即l(k)≈p0。AOPC在每次测量完分组丢失率之后，基于TCP吞吐量模型来估计TCP的连接数N，进而根据二阶系统最优模型来调节控制参数，使系统能够工作在动态变化的网络环境中，并且具有优化的性能。
AOPC通过引入分组丢失率来反应动态网络的负载信息，通过建立控制参数与分组丢失率之间的函数关系，设计了用于AQM控制的自适应控制律。AOPC有两个重要的组件(1)网络负载预估器，在每次测量完分组丢失率之后估计TCP的连接数目，用于消除控制参数对网络变量的依赖性；(2)参数优化器，基于二阶系统最优模型对TCP/AOPC联合控制系统的参数进行优化计算。下面具体描述了两个组件的工作原理。
(1)网络负载预估器 假设单个TCP流的端到端分组丢弃概率为p0，已有文献建立单个TCP流吞吐量与RTT和分组丢失率之间的函数关系，用公式表示如下 Ri(t)为TCP流的往返延时，Xi为单个TCP流吞吐量。
现在来考虑一条链路同时被N个TCP流共享，令y＝∑xi(i＝1，...，N)为总发送速率。假设该条链路的服务速率(链路容量)为C，缓存容量足够大能保证链路完全被利用。并假设总发送速率大于链路的服务速率，即y＞C，因此，丢弃概率p0满足如下关系式 (1-p0)y＝C(3) 那么，由(2)和(3)，可知 令 其中，Req为N个TCP流RTT的调和平均值。
从(4)和(5)，可以得到 由于测量到的分组丢失率可以近似地视为最近时段内稳定的分组丢弃概率，即l(k)≈p0，令则方程(6)可以改写为 N＝ReqCf(l(k)) (7) 这里，将f(·)称为计算分组丢弃概率的调节因子。
方程(7)表明，要估计TCP连接数N，只需要知道N个TCP流的RTT的调和平均值Req， 而不需要知道单个TCP流的RTT。如果Req的值可以事先测量出来并且始终在某个稳定值附近缓慢地变化，那么，可以忽略Req的时变性质而估计出TCP连接数。
(2)参数优化器 本二阶系统的闭环传递函数为 上式中K是静态灵敏度，τ是时间常数，ζ是阻尼系数。
阻尼系数ζ影响二阶系统的输出。工程上把ζ＜1，ζ＝1，和ζ＞1的系统分别称为欠阻尼、临界阻尼和过阻尼系统。ζ太大则过渡过程时间太长，不利于控制；但ζ太小则振荡剧烈，过渡过程时间也随之变长，同样不利于控制。因此ζ值的选择就很重要。通常把ζ＝0.707的情况称为二阶最优模型。对于ζ＜1，系统的阶跃响应为 从控制的角度来看，当t→∞，y(t)→1时，系统的静态误差趋近于0。假设在比例AQM控制中总能满足K≤1的条件(在后面将看到这个假设实际上是恒成立的)，令y(∞)＝1，那么系统的静态误差ess和过渡过程时间ts(允许误差为2％，|y(ts)-y(∞)|＝0.02y(∞))分别为 ess＝1-K(9) 系统静态误差反应了系统控制的精度，过渡过程时间刻画了系统的响应速度。
据图1所示的TCP/AQM控制系统框图，用γ表示比例AOPC控制器的控制参数，则我们可以得到TCP/AOPC控制系统的闭环传递函数为 其中，静态灵敏度K，时间常数τ，阻尼系数ζ分别为 TCP/AOPC的参数优化原理则是基于二阶最优模型，通过调节控制系数γ来保证系统的阻尼系数ζ＝0.707。这种方法在控制理论里面称为极点配置法。
由可以得到在网络负载预估模块中，我们得到了激活的TCP连接数N的估计方法，将方程(7)代入上式，得到 方程(12)给出TCP/AOPC控制系统的控制律。AOPC控制参数γ的调节依赖于网络负载预估组件测量到的平均分组丢失率。另外，尽管单个TCP流的RTT变化可能会出现很大的波动，但是从整个网络来看，所有TCP流的调和平均值是缓慢时变的，不会出现很大的震荡。从式(12)中可以看到调和平均值Req对控制参数γ的影响很小。例如，假设当前测量到的分组丢失率l(k)＝0.01，链路容量为2500分组数/秒，当Req＝0.2秒时，参数γ＝2.625(10)-4，当Req＝0.15秒时，γ＝3.5(10)-4。该例表明控制参数γ不敏感于实际网络中RTT的扰动。
参见图2，图2本发明的流程图。其具体步骤如下 步骤(1)在路由器上建立一个自适应的比例控制器，该控制器采用测量平均分组丢失率来实时调节控制器参数以适应动态变化的网络流量。
步骤(2)初始化参数和变量。
步骤(3)判断当前系统时刻是否达到lastTime+T，如果已到达，则执行步骤(4)，否则执行步骤(9)； 步骤(4)测量当前的分组丢失率l(k)， 步骤(5)计算平均分组丢失率l(k)，l(k)＝w*l(k)+(1-w)*l(k)； 步骤(6)计算控制器调节因子f， 步骤(7)更新控制器参数γ， 步骤(8)把lastTime赋值为当前系统时刻； 步骤(9)等待新分组的到来，如果有新的分组到达，则执行步骤(10)，否则重复执行步骤(3)； 步骤(10)执行比例控制器，获得当前的路由器队列长度q(t)，计算分组的丢弃概率p(t)，p(t)＝l(k)+γ(·)(q(t)-q0)； 步骤(11)以概率p(t)丢弃该分组； 步骤(12)转到步骤(3)，重复执行步骤(3)至步骤(11)，直至结束。
我们在NS2(Network Simulator，Version 2)网络仿真软件上实现了AOPC主动队列管理方法，并对它的性能进行了详细的测试。NS2网络仿真软件是一种通用的多协议网络模拟软件，它是在互联网上公开发布的(http://www-mash.cs.berkeley.edu/ns/)，目前已被网络研究者们广泛使用。采用图3所示的拓扑结构，S1~Sn为发送结点，D1~Dn为接收结点，R1、R2为路由器，Si~R1和R2~Di的传输延迟均匀分布在区间[10ms，50ms]上。R1→R2的链路构成瓶颈，其链路容量为10Mbps。分组的平均大小为500字节，目标队列长度设为50个分组大小，瓶颈路由器的缓存大小为200个分组。
为模拟AOPC在存在突发业务情况下的响应性和稳定性，我们在突然加重负载的情况下对AOPC进行了检验。开始启动100个FTP流，50秒后再次启动100个FTP流来检查各算法对突发业务的响应性。AOPC的队列长度变化过程分别如图4所示。从图4中可以看出，在突然加重负载的情况下，AOPC能够在很快的时间内将队列稳定在预先设定的队列长度附近。
为了进一步验证和定量分析AOPC的队列稳定性，我们在不同TCP连接数情况下，统计出AOPC的平均队列长度和队列变化的标准差，并和已有的REM、PID、LRED和PIP等AQM控制器进行了比较。图5和图6分别给出平均队列长度和瞬时队列长度标准差随TCP连接数的变化图。仿真实验表明AOPC的性能超过了所有比较的算法，获得了稳定的队列长度，并且队列抖动很小。小的队列抖动不仅意味着低延时抖动，还可以保证高的链路利用率。
最后，为模拟实际网络流量，采用四种类型的网络流基于TCP Reno的长期FTP流和短期HTTP流，基于UDP的CBR流和服从指数分布的ON/OFF流。其中，FTP会话存活于整个仿真过程中。HTTP流生命期较短，它请求的平均时间间隔为1秒，请求的页面大小为1000字节。CBR流的分组大小为500字节，发送间隔为0.08秒，其处于ON和OFF状态的时间分别为2秒和1秒，处于ON状态下的发送速率为64Kbps。仿真时间为100秒。队列的变化过程如图7所示。仿真结果表明，在存在Web流的高度动态的网络情景下，AOPC仍能表现出优越的稳定性能。
权利要求
1.一种基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法，包括以下步骤
在路由器上建立一个自适应的比例控制器；
测量路由器的分组丢失率；
根据路由器分组丢失率计算路由器的加权平均分组丢失率；
根据路由器的加权平均分组丢失率计算路由器的分组丢弃概率，根据分组丢弃概率丢弃分组。
2.根据权利要求1所述的基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法，所述路由器的分组丢失率为
上式中l(k)为第k次的分组丢失率，它是第k次的分组丢失率等于前M个测量周期时间内被丢失的数据总量与到达的数据总量的比值；D(i)为第i个周期丢失的数据包的个数；A(i)为第i个周期到达的数据包的个数。
3.根据权利要求2所述的基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法，所述路由器的加权平均分组丢失率为
上式中w是加权系数。
4.根据权利要求1所述的基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法，所述路由器的分组丢弃概率为
上式中q(t)为路由器当前的缓冲队列长度；q0为预先设定的目标队列长度；γ(·)为比例控制参数。
全文摘要
本发明公开了一种基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法，包括以下步骤在路由器上建立一个自适应的比例控制器；测量路由器的分组丢失率；根据路由器分组丢失率计算路由器的加权平均分组丢失率；根据路由器的加权平均分组丢失率计算路由器的分组丢弃概率，根据分组丢弃概率丢弃分组。本发明具有适应性强、鲁棒性高、算法实现简单的优越性能，在实现主动队列管理时可保证较高的链路利用率，同时减小了排队延时。
文档编号H04L12/56GK101175031SQ200710034960
公开日2008年5月7日 申请日期2007年5月21日 优先权日2007年5月21日
发明者王建新, 亮 荣 申请人:中南大学