增强aqm以对抗无线损失的制作方法
【专利说明】
[0001] 对相关申请的交叉引用 本申请要求享有于2012年5月30日提交的美国专利申请序列号61/653, 143的优先 权，所述专利申请特此以其全部内容通过引用而并入。
技术领域
[0002] 本文所公开的主题涉及在面对可能被误解释为由于路由器处的数据拥塞所致的 数据损失的无线损失的情况下在处于主动队列管理（AQM)之下的互联网路由器缓冲器处创 建稳定积压（backlog)。
【背景技术】
[0003] 拥塞控制调整由终端系统注入到通信网络中的数据业务量，从而防止持续网络过 载。在因特网中，这是典型地由传输控制协议（TCP)和队列管理算法以分布式方式联合实 现的任务。在运行于终端系统处的情况下，TCP将分组损失视为网络过载的信号，并且在检 测到任何损失时减缓或后退（backoff)数据流动速率。在运行于中间路由器的情况下，队 列管理算法监视路由器缓冲器的队列长度，并且基于缓冲器占用而丢弃分组。
[0004] 主动队列管理（AQM)是一类在20世纪90年代首次提出的队列管理算法。与直到 缓冲器溢出才丢弃分组的传统队列管理算法相比，AQM基于从过去和/或目前的队列长度 确定的丢弃率在缓冲器溢出之前概率性地丢弃分组。这将路由器缓冲器处的积压保持为小 并且对终端系统的后退去同步。当有效操作时，AQM将分组队列稳定化在低水平附近，使得 1)可以降低端到端延迟并且可以使延迟抖动平滑；2)维持充足缓冲器空间以吸收具有数据 突发的业务，并且3)瓶颈链路被保持积压并且因而被完全利用。
[0005] 使用H-infinity控制理论来用于通过最小化由任何外部扰动强加的不确定性来 维持稳定和小队列大小的AQM公开于LiYu等人的文章"Designofparametertunable robustcontrollerforactivequeuemanagementbasedonH-infinitycontrol theory(用于基于H-infinity控制理论的主动队列管理的参数可调的鲁棒控制器的设 W)"JournalofNetworkandComputerApplications ，% {展中。Yu 的论文公开了表示TCP过程和AQM策略的闭环反馈系统，其中队列长度被用作输出并且参 考队列大小被用作输入。通信错误和网络拥塞被视为外部扰动。在论文中存在所提出的 AQM控制器（R-PID)与随机早期检测（RED)和其它常见AQM控制器的队列大小的比较，其示 出Yu控制器提供了稳定和小的队列大小。然而，该现有技术控制器仅应对有线网络，即未 覆盖无线损失。
[0006] 下一代网络被预期为网络的异构网络，包括有线和无线组件二者。无线网络可能 超出接入网络而延伸到回程网络甚至是主干网络。无线链路的特性构成对基于可能在无线 环境中无法保持的某些原理设计的现有拥塞控制机制的巨大挑战。更明显地，通过无线链 路传播的信号遭受严重的干扰、噪声和传播损失。通过无线链路传输的分组可能被损害到 超出错误控制代码(如果有的话）的恢复能力的程度，并且因此被丢弃。这构成除拥塞损失 之外的分组损失的另一原因，其被本发明人所发现。无线损失对拥塞控制的设计的含义是 两面的。
[0007] 首先，TCP往往将无线损失误解释为拥塞损失并且没有必要地后退或降低数据流 动速率，从而可能未充分利用网络容量。该问题已经激发文献中的大量TCP变型；但是，这 不是本发明的聚焦点所在。而是，这基于以下事实：设计用于有线网络的传统AQM机制在具 有无线链路的网络中拙劣地执行，因为无线网络中的分组损失更常见地是由于混乱的分组 和链路断开，这是由于无线链路遭受在有线网络中不存在的干扰、噪声和传播损失。
[0008] 其次，分组损失的额外源可能干扰AQM的正常操作，其经由主动分组丢弃隐含地 与TCP通信。当许多TCP流共享瓶颈无线链路时，不太可能的是它们中的大部分将同时经 历无线损失（除非链路损坏)。因此，由于无线损失引起的伪后退对所有流的聚合传输的影 响将会比在仅存在几个流时不严重得多。无线链路将仍旧保持积压。
[0009]K.Chavan等人的文章"ARobustActiveQueueManagementAlgorithmfor WirelessNetwork(用于无线网络的鲁棒主动队列管理算法)"示出用于无线网络中的瓶 颈节点的另一AQM算法。该文章可以在网站http://www.ee.iitb.ac.in/~karandi/pubs_ dir/preprints/kanchan_ram_belur_karandikar_ieeetcst.pdf中找到。根据该论文，无 线链路具有由于多径衰落和移动性所致的时变容量。它描述了可以将队列长度维持接近具 有作为外部扰动的时变链路容量的操作点的鲁棒控制器设计方法。控制器的设计是基于 H-infinity控制方法。同样将该设计与RED算法和所提出的AQM在右边（RQM)比较。该现 有技术同样示出比RED快得多的稳定的队列大小和收敛。然而，虽然该现有技术应对无线 网络，但是它在无线网络中考虑带宽变化而并未考虑无线损失。因此，该论文未能提供针对 无线损失的解决方案(这意味着缓冲器队列可能在无线损失之下波动)。
[0010] 随机早期检测（RED)是最具代表性的AQM算法之一。然而，本发明人已经确定， 它在无线损失之下未能维持稳定积压。如S.Floyd等人在"RandomEarlyDetection GatewaysforCongestionAvoidance(用于拥塞避免的随机早期检测网关Ti-a/751. Vol. 1，No. 4,1993年8月中提出的，RED证明了AQM在帮助网络在高吞吐量 和低延迟的最佳区域中进行操作方面的固有优势。然而，RED的参数调谐和新的变化由于 在理解TCP/AQM的动态特性方面的困难而不变地采用反复试验的方法。
[0011]TCP/AQM的流体模型提供了用于AQM的系统设计和分析的基础。参见例如， F.Kelly等人的"RateControlinCommunicationNetworks:ShadowPrices,ProportionalFairnessandStability(通信网络中的速率控制：影子价格，比例公平和 稳定性）"，J 办eraTfesearcAVo1. 49，No. 3,第 237-252 页， 1998 年 3 月；S.H.Low等人的"InternetCongestionControl(因特网拥塞控制 systemsVol. 22,No. 1，第 28-43 页 2002 年 2 月；和V.Misra等人 的"Fluid-basedAnalysisofaNetworkofAQMRoutersSupportingTCPFlowswith anApplicationtoRED(利用对RED的应用支持TCP流的AQM路由器的网络的基于流体的 分析仏祖你^.，Vol. 30,No. 4,第151-160页，2000年10月，其通过引用并入 于此。Low的基于优化的方法将TCP/AQM解释为用于解决利用最大化问题的分布式算法，遭 受容量约束。参见Kelly等人的文章和S.H.Low的"ADualityModelofTCPandQueue ManagementAlgorithms(TCP的二元模型和队列管理算法於 Vol.ll，No. 4,第525-536页，2003年8月。主要聚焦点在于平衡处得到的最优解决方案。 然而，AQM的瞬态响应大多被忽略。
[0012] 控制理论方法将因特网拥塞控制看作非线性控制系统。系统首先在其平衡附近线 性化以便分析平衡附近的TCP/AQM的动态特性。这使得能够实现基于频域分析的RED的参 数调谐和新AQM算法的设计，这在改进AQM的瞬态响应和确保线性系统的稳定性方面是强 大的。参见H.Han等人的"TCPNetworksStabilizedbyBuffer-BasedAQMs(通过基于 缓冲器的AQM稳定化的TCP网络)"/￥oc. 〇/TSM 2004 年 3 月；C.V.Hollot等 人的"AnalysisandDesignofControllersforAQMRoutersSupportingTCPFlows(用于支持TCP流的AQM路由器的控制器的分析和设计 Vol. 47,No. 6, 2002 年 6 月；和S.H.Low等人的"LinearStabilityofTCP/REDanda ScalableControl(TCP/RED的线性