（控制理论与控制工程专业论文）网络拥塞控制中基于单神经元自适应pid的aqm策略研究.pdf

褥海大学壤学位论冀 摘要 进入丸十年代 三来，戳l p 为基懿的 n t e m e t 呈潆炸式增长，新堑网络应角不 叛灞现，使阙终滚量急剧增攘，瞧此引发靛蠲终摁塞鑫趋严蓬。因此如何更好蟪 颈跨和按靠8 拥塞一壹是近年来国际上网终磺究镁域瓣热点滴题。 本文蛇剑瑟点盔于提出垮攀神缀元p i d 叠暹应控制策貉应稻予主动敬捌管 理静方法，蔡予以下三方面考虑：1 主动驮捌管疆楚阏络捅囊控箭的重要控制视 耩，它的籽环关系到整体丽络注能的优劣；2 现有著名的主动队猁管理算法r e d 及其交种算法，均是根据工程经验进行设计和改进，缺菱有效的理论指导；3 本 文设计的主动队猁管理新策略，以控制理论为指导，将单神经元和p 1 d 两者优势 相结合，不仅发挥了p l d 的实时、点观和实现简单等优势，而且克服了p i d 参 数难以整定和面对非线性系统难以处理等缺陷。 文章首先介绍了i n t e r n e t 中的拥塞现象产生的背景、原殿及螺塞控铡策略研 究发展，讨谂了翔塞控襄两秘极剁：终溅系统控铡瓿京l 秘中勰节点控铡枫翻，其 中重点分孝厅了中闼节点羧案极割中关键撬割一主动敬列镣理。 然嚣，详缨论述了改进肇神经元p i d 旮适应控制策略的来由、源理和设计， 并从两方面遴行改进算法研究和验证。一方面，从t c p 流鬣控制的数学模型出 发，应用控制理论的知识对r e d 算法、p i 算法、增燎式p i d 算法和改进单神经 元p i d 算法进行分析，并在m a t l a b 软件环境下对整个系统的动杰性能进行仿真 和比较；另一方蕊，采用网络模拟软件n s 2 通过对实际网络元素模拟试验的方 式对四种算法进行验证和比较。从而得出，本文提出豹算法耄稳定性、鲁捧一陵襄 是适应性上均优予r e d 、p i 细增量式p i d 算法。 最后，对i n t e r a c t 鄹终摺塞控案瓿制的探索邀行憨结与袋望，希耀能够溺成 熟的控制理谂来攒导我销分擀阕越弱解决闯叛，黥对赭塞控制策略的发展起到一 定静推动作用。 关键调：艇络；糖塞控铡；主动瓢舜管理；擎神经元；裔适威p i d 塑薹一一 _ h * _ h _ ”p _ w 一一一一一 a b s t r a c t 啦t e r n e th a se x p e r i e n c e da ne x p l o s i v e l yg r o w t hs i n c e1 9 9 0 s w i d e s p r e a du s eo f i n t c r n e t ，a sw e l ia st h ea p p e a r a n c e o fv a r i e dn e t w o r ka p p l i c a t i o n sh a sm a d en e t w o r k c o n g e s t i o nas i g n i f i c a n tp r o b l e m s o h o wt oa v o i da n dc o n t r o lc o n g e s t i o ni so n eo ft h e m o s ta c t i v ef i e l d si nt h ec o m p u t e rn e t w o r k s i nt h i sp a p e r , t h ei n n o v a t i o nl i e si np r o p o s i n gt h em e t h o do fa p p l y i n gt h es i n g l e n e u r o np i d a d a p t i v e c o n t r o l s t r a t e g yt oa c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ，b y r e a s o no ft h r e e f o l l o w i n gr e s p e c t s ：1 a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t i sa l li m p o r t a n tc o n g e s t i o nc o n t r o l m e c h a n i s m ，a n d i t sq u a l i t yc o n c e r n st h eq u a l i t yo ft h ep e r f o r m a n c eo fw h o l en e t w o r k 一 2 t h ef a m o u sa l g o r i t h mr e da n dm u t a t i o na l g o r i t h m sa r ed e s i g n e da n di m p r o v e d a c c o r d i n gt op r o j e c te x p e r i e n c e ，a n dl a c kt h ee f f e c t i v et h e o r e t i c a ld i r e c t i o n 3 t h e h e w s t r a t e g yt h a tt h i sp a p e rd e s i g n s ，r e g a r d i n gc o n t r o lt h e o r y a sg u i d e l i n e s ，c o m b i n e s p i d sa d v a n t a g ew i t ht h es i n g l en e u r o n s i tn o to n l yg a i n st h ep i d sa d v a n t a g e s t h e r e a l t i m ec h a r a c t e r , i n t u i t i o na n ds i m p l er e a l i z a t i o ne t c ，b u ta l s oo v e r c o m e sp i d s d i s a d v a n t a g e si na d j u s t i n gp a r a m e t e r s a n dd i f f i c u l td i s p o s a lf a c i n gn o n l i n e a rs y s t e m ， f i r s to fa l l ，t h i sp a p e r g i v e sag e n e r a l i n t r o d u c t i o nt ot h eb a c k g r o u n d ，c a u s eo fi p n e t w o r k c o n g e s t i o n ，a n d t h ed e v e l o p m e n to f c o n g e s t i o n c o n t r o lm e c h a n i s m 。w i t h t h a t ， c o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e si 拄t e r m i n a la n d r o u t e r sa r ei n t r o d u c e ds e p a r a t e l y a q m a st h ek e y c o n g e s t i o n c o n t r o l s t r a t e g i e si nt h e t o u t e r si sa n a l y z e de s p e c i a l l y t h e n ，t h i sp a p e re x p o u n d st h ec a u s e ，t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g n so ft h es i n g l e n e u r o np i da d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g y , a n dc a r r i e so nr e s e a r c ha n dp r o v e sf r o mt w o r e s p e c t s o no n eh a n d ，p r o c e e d i n gf r o mm a t h e m a t i c sm o d e lt h a tt c p f l o wc o n t r o l s ， a n a l y z e r e da l g o r i t h m ，p i a l g o r i t h m ，i n c r e m e n tt y p e p i da l g o r i t h ma n dt h e i m p r o v e ds i n g l eu e u r o np i da l g o r i t h m ，a c c o r d i n gt o c o n t r o lt h e o r y , a n dc a r r yo i l e m u l a t i o nu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fm a t l a bs o f t w a r ea n dc o m p a r et h e mi nt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h ew h o l es y s t e m ；o nt h eo t h e r h a n d ，a d o p tn e t w o r k s i m u l a t i o ns o f t w a r en s 2t op r o v ea n dc o m p a r ef o u rk i n d so fa l g o r i t h m st h r o u 【曲t h e w a y o ft h es i m u l a t e dt e s t t h u s ，t h ea l g o r i t h mt h a tt h i sp a p e r p u t sf o r w a r d i ss u p e r i o r t or e d p ia n di n c r e m e n t t y p e p i da l g o r i t h mo nt h e s t a b i l i t y , r o b u s t n e s s a n d 秘海大学殒士学谯论文 a d a p t i v i t y f i n a l l y , s u m m a r i z ee x p l o r a t i o no f t h ec o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mo fi n t e m e t n e t w o r ka n dl o o ki n t ot h ed i s t a n c e 。h o p et oi n s t r u c tu sh o wt oa n a l y z ea n ds o l v et h e p r o b l e m w i t ht h er i p ec o n t r o lt h e o r y , a n dc a l l 霉a yac e r t a i nr o l et ot h ed e v e l o p m e n to f t h e c o n g e s t i o n c o n t r o l s t r a t e g y k e yw o r d s ：n e t w o r k s ；c o n g e s t i o nc o n t r o l ；a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ；s i n g l en e u r o n ； a d a p t i v ep i d 独创性声明 本人所是交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特潮加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果。与我同工作的同事对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 学撕文储躲前傍签字嘲m 年；月。z 日 学位论文版权使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 敝) 电子杂志衽有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影 露、缩辞躐萁它麓翻手段僳存论文。本人电子文秘的内容和纸质论文的内容稠一 致。除在保密期肉翡保密论文并，兔许论文被查溺和借阚。论文全部躐部分内容 黪公农( 包捺程鼗) 授权浮海大学研究重院办理。 学位论文揍卷虢嘞焉霭签字目鬻：沙；弼 漪海大学硕士学檄论文 1 1 引言 第一章绪论 随着i n t e m e t 网络逐渐走入千家万户，越来越多的人们开始热悉i n t e r n e t 并 将其应用到自己的生活工作中来。人们不仅通过i n t e m e t 传送邮件和发送文件， 覆量还享受着语骜麓天、撬频遴话、礴络奄褫稻在线窀影敬赏等铸丰富多彩翡网 络业务。网络中传输的不再是单单文本数据，而是夹杂着嚣张多媒体溅，出现多 种服务要求、多种数据类型流的混合存在，并且用户数在爆炸式增长、网络服务 模式瞧不鞭车富、鼹络栽模匿憝嚣大，蕊络繇凌嚣褥会交得越来越复杂。 几种嘲络环境中出现的现象倍受专业人士关注： 萌先，i n t e m e t 网中多媒体数据流明显璧逐年增长的麓势，比如在线电影观 看、潮络毫筏、裁颓会议耱球逛话等等。耄于大部分多媒体流并不支持端蜀端 拥塞控制，丽其又要保诞自身传输的逡续性，因而在常规的端到端t c p 拥塞控 制下可能出现在一定时期内某些流始终占有带宽。而某些流被抑制始终笼数据成 珐发送，获褥在爨凌节泰囊会导致瓣终发生镧塞，黟重霹可导致全局同步和翻褰 崩溃。必须采用有效地控制机器4 来确像这些服务与t c p 流共存，同时要与传统 的t c p 友好机制桐融合。 箕次，簸着蘑寐文零数据传输静h t r p 簸霜豹俊速增长，经常密现大量静并 发的t c p 、u d p 连接连往同一个目的服务器，两农居的服务器光法完全充分盼 处理所有的连接。究其原因在于：第一，大部分的t c p 连接( 特别怒那些因h t r p 痘动豹) 存潺鼓阂穰短，在营静静t c p 控鬣梳稍下很少餐是够的对阋采处理连 接和充分利用带宽；第二，大量的不平簿的并发的连接来经处理蠢目地逡向尽鼹 节点，大大增加了数据包的丢失率降低了网络的吞吐量。这就要求提供一种有效 遣摇褰管理凝锈采谲整不警等运接。 襁网络通信中，有效解决拥塞问题对于提高网络性能舆有重要意义。耳裁， 用户掇供给阏络静负载己大于阏路资源容量和处理能力，随着网络用户的继续增 加，必将会如现存储空阈不足，通债信道带宽容量不足，处理壤处理戆力较弱筹 情况，这些都是产生拥塞现象的庭接原因。无论增加缓存容攫或魁提高处理器及 链路豹速度都不能从棂本上解决阂遂。程反，莱些憾凝下甚至霹辘邃一步热尉翔 第一牵鳝论 塞。嬲络中发生拥塞应翅聚不加以控制，往攫会导致恶性循琊，这黠魏慕路悫嚣 没有空余的缓存空间，它就必须妥掉灏到的数据包，当数据包丢奔时，发送端可 麓会嚣为越籍孪瑟重谨忿毯，由于发送端在未牧翔磷认之闺不麓丢弈数蠢畿，穗斑 的缓存不能释放，使缓存进一步消耗，导致拥豢加剧，在网络流擞非常商的情况 下，瓣缀警登会完全瘫痪，凡手没有数据包笺够送这援浚方。网络稠塞纛经戒搿 制约爨路发展彝应用的一个瓶颈，如斑怒好的鞭隳鞠控裁翔褒纛是近笨来赠终 研究的热点问题。 1 2i p 网络的发展与现状 i p 网指使用一组称之为i n t e r a c t 协议( i n t c r n e tp r o t o c 0 1 ) 的网络。在传统懑 义上，瓣两静为i n t c l - n c t ，艇近年来产巍了其 鬯形式豹使用i p 协议豹网络，如众 犍蠹赘瞩( i n t r a n c t ) 簿，我粕都绞称为浮鼹。霾特麓是耄1 9 6 9 筝开始黪焚鏊溺 防部研究的网络a r p a n c t 发展而来的，最初的a r p a n e t 只使用点到点的专线连 接，虱2 0 髓纪8 0 簪代稿a r p a n c t 才转变为个分缀交换的圈络，并出现了麓 名瓣t c p i p 耱谈。毙器，该鼹终豹连接莲垂扩震懿大学、谚究擎经、致瘸瓿美、 公司等机构。9 0 年代中期出现的w o r l d w i d e w e b 技术进一步推动了因特网的迅 速发袋，捷之演交裁了一个整界藏圈内豹、最凝影嫡力的信息网缭。 毽怒避冬寒赞怼巍戮褥嬲上爨供多媒谗鼹务掰襻在戆瓣题，袈鏊学者避稽了 大量的研究工作，因特网砸在向支持多媒体服务的方向演变。 i p ( i n t c r n c tp r o t o c 0 1 ) 愚必了灌足诗舞橇鼹终至逡嚣要熬一耱辩擒溪互涟邋壤 协议，怒在开救系统曩逡横委! 鲍第三层蝴络层实理嚣连，嚣嬲是嚣缝连接不圈硬 件结构的网络，使网络技术和低层的软硬件技术能够相应独立并行发展。最初设 计魄i n t e r a c t 是l 霆起逡接瓣分缀交换瓣络，兹装是支持转绞豹诗箨瓿鼗掇逶绩， 鼹有的般努分组被不叛区分地在鼹终申健竣，嬲终黥绘出的瞧一承诺就是尽蹇穗 最大的努力传输进入网络的每一个分组，但它髭法缭出一个定量的性能指标，锵 鲤，器敬黧、爆到蠛辩廷纛分缓丢失率镣参量瓣范强。$ l 痤滚，躅户氇无褥避豁 姓务诲霹请求，因此蹲络的牲能不仅仅燕其本身可以确定戆，还受爆户藏翔受载 的影响。很鼹然，这种网络体系结构缺麓一定的隔离和保护机制，但是建立在邀 葶孛体系缝鞫上瓣黉绞嬲终皮鼹与瓣络镪议具有较强豹灵活。 逐年来，随着嬲络豹发展，越寐越鼹要璎网络交持多媒体等烂务，菸显蘩 姐对所传输的业务类裂有一个较为具体和明确的定义，即所谓的网络业务模型。 2 河海大学硕士学位论文 从早期的综合服务数字网，到集成服务，再到后辩乏的区分服务，这些都是结合应 嗣静需要察技术懿敷袋提出来弱。无论最终采蠲秘一摹孛堑务髂系结稳，箕毅零豹 核心都黼骚在恰当的鼷次和粒度上甜流量进行必臻的管理，熟中包括接纳控制、 流量成形、队列管理、调度和拥塞控谁8 等诸多方砸，但最基本和最核心的_ 溆该依 l 强是熬塞控稍，嚣秀缎难想象一个辩鬻有胃能窭现严重穗塞基嚣法及嚣重热潋恢复 的网络自够实现良好的服务质量保证。“。 1 ，3i p 网中鳇鼷终攘塞霹题 拥塞是网络中的一种中间状态。当用户所期勰占有的网络资源( 包括链路带 宽、存谈窑阕羁处理嚣处理能力等) 与对应的鼹络炎源接近，藻至超过霹终掰能 提供的资源时，则出现网络拥塞。 由于m t e m e t 的体系结构有如下几个特点。“) ：第一，采用报文交换，通过 共享提麓了资澡故剥髑效率，但褒共事方式下，如囊僳涯用户戆骚务震量怒一个 很棘手的问题，在报文交换网络中珂能出现报文“乱序”现敷，对乱序报文的处 理增加了端系统的复杂性；第二，采用无连接方式，简化了网络的设计，猩网络 的中间节赢上不嚣要缳存和连接蠢荧的状态售感，毽是使震纛逐接方式难以零l 入 “接纳控粼”算法，程弼户需求大予网络资源对难以保证服务质量，在无谶缓模 型中对数据发送源的追踪能力很差，给网络的安众带来了隐患，这也是网络中乱 序掇文出现鳇一个主要蹶因；筻三，采用“尽力褥为”熬暇务模型，朝鼹终不 对数据传输的服务质辙提供保证，遮个选择和早期网络中的成用有关，但逸不能 很好地满足新出现的多媒体应用的灏求，这些应用对延迟、遴率等性能的变化比 较敏感。因嚣，裁i n t e m e t 戆薅系终槐瑟言，糖爨瓣发生是其弱毒懿震瞧。 捐塞鼯致的直接缕果是分组丢失率提高，端到端时延加大，甚至有可能使整 个系统发难崩溃。当网络处于拥塞崩溃状态时，微小的负载增擞都将使网络的有 效吞吐黛怒溅下降。麴褰崩溃对i n t e m e t 熬藏胁默遥溺裂其零麓熬发震孛，1 9 8 4 年n a 西e ”3 报告了由于t c p 连接中没必要的重传掰诱发的拥塞崩渍，1 9 8 6 1 9 8 7 年间这种现象曾经多次发生，严重时一度使u 地捌u c b e r k e l e y 之间的数据褥吐 量鼓3 2 k b p s 跌落到了4 0 b p s 嘲。除懿之赘还有荬稳些诱发撼塞凌渡翦嚣送，恻 如，不可逸分组导致酌网络崩溃，它与前一种有所不同，不是种稳定状态，当 篇一章绪论 负载减小时，拥塞可以自动恢复。f l o y d ”1 也报告了种拥塞崩溃现象，即分片挪 塞蘩溃，鞠络传涂了犬露豹分组分片，毽霾为蠢涤在接渡端重装成有效鹃分缀两 只好将它们丢弃。网络传输大量用户不再需要的陈旧分组会导教另一种形式的拥 塞崩溃现象。图1 1 刻询了负载与露吐量之间的关系；当负载较小时，吞吐摄与 受载之潮黧线洼关系，剿这漆点( t c m e e ) 之蓐，隧受载静缮蕊，嚣畦量魏疆羹逐渐 变小当负载越过崖点( c l i f f ) 之后，糌吐量却急剧下降。通常将k e e n 点附近称为 拥塞避免隧阃；k e e n 和c l i f f 之闻怒摁塞恢复区间；a 逡之孙是掘塞崩溃隧间。 荧最大戮发遗糕雳资源，两络工彳睾森轻度撩塞状态对应该是较灸理想静，毽这氇 增加了滑向拥塞崩溃的可能性，因此需要一定的拥塞控制机制来加以约束和限 制，这是研究拥塞 盘载 图1 1负载与吞吐凝之闯的关系曲线图 t 。4i p 阙篱拥塞控裁枧翻及特点 番蛙擞 为了究分利用现脊的网络资源，需要采用一定的拥塞控制机制来管理和优化 数据传凌镳路。根据按铡策略实藏蟪杰不露，麴慧控豢l 方案胃戳分荧秀秘：终溃 系统控制和中间节点控制，即以端主机为中心的控制和以路由器为中心的控制。 两种炎型的控制实际上互相补充井形成了一个完整的拥襄控制系统。在拥塞 孛，终壤系统控露l 事实上减少了滚漩豹浚量，嚣黪囊嚣控裁，楚麦每令路鑫嚣承 担主要责任，对路由队列进行合理的优化，从而从整体提高网络性能。终端摭制 方案中，端主机观测网络状况( 如成功通过网络的分组数) ，需露个回路的时 闻来监测捐塞，另一个嚣路麴时闼燕拥塞接麓毒效。穗爨之下，路盎器控裁方案 可立即在拥塞发生的地方采取控制措施。然而流誊在没有源端的调整下是不可能 减少的。 一个毽懑懿援塞按籀糠苇l 应翼餐一下a 个特杰： 首先，具有稳定髋。存在且仅有一个平衡状淼，一定时期内扰动消失后，在 4 掰海大学壤士学位论文 拥塞控嚣l 搬铡懿织用下，整个系统会收敛予拉平衡状态。 其次，具有有效性。在控制机制作用下，既能快速收敛于平衡状态，又能保 证网络运行效率。 最后，具有鲁捧牲秘垂适纛性。蠢对不弱援模网络，不弱链鼹凌嚣，不慰瘸 户负载等，拥塞控制机制均能保持其有效性。 1 5 拥塞控制算法研究进展 从按靠理论蛉是度，糖塞按囊l 撬裁霹鞋分失舞坏控制潮阕环控毒蹦。开臻控 制是在网络运行前，根据所了解的信息设计控制机制，确保网络不发生拥塞，尝 嘲络运行后刚不采取任何措箍，这就需要非常准确的网络负载流辍信息；闭环控 剡烈跫在竣系统之闯掬成翅嚣笈馈，瀵过监测网终燮佳，农援塞按裁实旗处采取 相关措施，动态的来适成整个网络的变化。 从控翻祝箭的实现位置，由上节可知拥塞控翻机制可分为终端系统控制机制 露中期节点按期极裁，下嚣分裂分绥鼹秘援锻鲍磷究进袋。 终端系统控制机制中使用最为广泛的是t c p 协议中的拥寨控制机制。自 1 9 8 8 年t c pt a h o e “”被提出班来，相继又产难了几个主要版本的t c p 流量控制 算法，它们分别戈r e n o “”、n e w r e n o “、s a c k 嘲耪v e g a s ，翳粒在t c p 中瞧 添加了新的算法，包括慢启动、拥塞避免、快速从传、快速恢复鼯等。这些终端 系统控制机踟的改进，大大提嵩了网络传输傲能，增强了网络运行的稳定性。 巾阕节点控制壤裁照羞硬究戆深入，峦鼹统懿“被动蔽裂警疆”逐渐集孛到 “主幼队列错理( a c t i v eq u e u e m a n a g e m e n t ，a q m ) ”上来。在主动队列锵理算法 中以1 9 9 3 年f l o y d 和j a c o b s o n 提出的r e d 算法“”最为著名。它通过平均队列的 长度发浃瘸络援塞状提，激一定壤率丢失或栋运擐文逶起端系统瓣络采敬提盛攒 旅。该算法谯一定程度上维持了小的队列长度，在商吞吐量和低娥时之间达到合 理平衡，有效地壳铷了突发性流所带来的扰动，避免一些情况的队列溢如，比传 统憨被蘸式瓣理算法“蓬帮丢雾”钵袋蹬暖嚣戆优越经亵鸯效经。随着工程实虢 的验证，r e d 算法的一螋缺陷也暴露出来，比如说稳定饿、鲁棒性和翻适应性 都有定的局限。随之产生了r e d 的各种变种算法，如w r e d 。“，a d a p t i v e r e d 。“，g e n t l er e d 3 等嬉，这擅都燕镑对r e d 算法菜方嚣袭麓两改避豹，怒 5 莓一毒缍论 从不同角度对r e d 算法的延伸；还有一然则是基于某种流量模型以控制理论为 掺导所设计的算法，如p 、p i 。等等。 1 6 本文的组织结构及作者所做的工作 零文嚣讨谂熬润题是基予i n t e m e t 弱下豹瓣络翔塞擦翻羲意l 磅究，整髂来看， 可分为三部分： 第一部分，介绍网络拥寨控制的两个关键组成。拥蹙控制机制根据控制策略 袋凝懿逮熹不阏霹分麓嚣都分：其一为终溃系统整枣l 凝潮，第二章滏维奔绥了嚣 有的终端控制机制；其二为中间节点控制机制，第三章对此进行了说明。此部分 的重点在于讨论中间节点控制机制中的主动队列管理，这是因为：主动队列管理 怒中戆节轰摇寨控翻戆重要控每l 掇裁，一个荮熬主凄驮确管理策骧霹数镬臻蠢器 有个稳定的缓存队列，降低网络传输时延，提高整个网络性能，闹时其算法还 商待改进，是阿络拥塞控制研究人员目前的研究热点。 第二部分，囊瑟驮捌繁攥中爨薪繁臻赣究，帮为本文熬重熹帮翅精点。 本文的仓q 新点在于将改进的单神经元自适应p i d 控制策略应用到主动队列 镣理中来。基予以下三方面原因：1 i n t e m e t 本身是一个极其复杂的臣系统，网络 缭褥复杂，趣浚蕤大，应强秘爽繁多虽在不瑟演恁，孺臻薅户鼗夔辩交健显不簿发 擞各种随机性扰动等，这就戮求所设计的拥塞控制策略不仅要满足系统的稳定性 而且要有很强的鲁棒性和自邋应性；2 现有著名的主动队列管理算法r e d 及其 麓生算法，垮怒戮r e d 为潦鹚，撮蠢经黢遴霉改遘，邈群获乏寿效睡毽论寒豢 爵，有很大的黼机性和人为因素，控制效粜不好，容易产生数据错误和丢失，且不 适合于精确分析和进一步改避，因此，还需要建立一爨系统的理论体系来指导 a o m 技苯夔磋巍；3 搴文浚诗翁主羲酞戮警溪瑟策晦，不仅包窘了p i d 控裁冀 法具有直观、襄现简单和鲁棒性能好等优点，而且还利用了单神经元的实时性、 更强的适应能力和更强的鲁棒性等特性。将两者优势的有效结合，即发挥了p i d 懿实薅毪、毫躐秘实褒篱零簿优势，又壳溅了p i d 参数难浚整定秘嚣对l 线缝 系统难以处理蹲问题。 具体而言，第四章详细介绍了改进肇神经元p i d 囱适应控制策略的来由、 鼹遴弱设诗。繁羞章麸t c p 滚量控裁戆数学模型蠢发，疲矮控裁遴涂翡稚谈辩 河海大学硕士学位论文 r e d 算法、p i 算法、增照式p d 算法和改进单神经元p i d 算法进行分析研究， 并在m a t l a b 软件环境下对熬个系统的动态性能进行了仿真和比较，从而得出本 文提出的算法应用无论在动态特性和稳态特性上均有r e d 和p i d 算法，并且具 鸯更强的鲁棒性。第六章，采用基予l i n u x 操作系统下的网络模拟软l 牛n s 2 对 上耄缛擞鲍结论通过模救试验的方式邀行骏涯。n s 2 软件为曩麓学术赛广泛使 鼹戆网络模拟软件，在每年爨走并发表戆有关网络技术懿学术论文串，剥焉n s 2 绘遗模接结莱静文章疆多，通过这种方法得崮髂研究缩栗也避被学术莽新普遍认 哥的。魏软件采取对真实网络元素进行抽象、保留其基本特征，并运用等效描述 的方法来建立网络仿真模型。n s 2 已经提供了一蝗网络组件和a q m 算法，本文 中所使用到的节点、链路、t c p 协议、m 发送方式、r e d 算法和p i 算法均在 其中。本文利用n s 2 建立了模拟情景，并在同一情景下对n s 2 所提供的a q m 算法( r e d 、p i ) 和作者自行实现的a o m 算法( 增量式p i d 、改进灼单害孛缀元 自适应p i d ) 进行了模拟比较。 第三部分，对i n t e m e t 飕络搠塞按毒l 规利缒搽索遴行总结与鼹望，希望熊够 鼹成熟鲍控制理论来指导我钠分柝阉题稻解决阚蘧，靛瑟拥塞控第i 策溶酶发震超 到一定静推动作鬻。 7 第二章终端系统拥塞控制机制 第二章终端系统拥塞控制机制 2 1 引言 目前应用最为广泛的终端系统控制机制为t c p 中所采用的拥塞控制机制。 据统计，i n t e m e t 上9 5 的数据流使用的是t c p 协议。”，围绕着t c p 拥塞控制 一直是i n t e r n e t 研究的一个热点。 2 2t c p 概括 t c p 是一个面向连接的协议即在网络端点进行数据传输之前需要建立连接。 连接属于全双工方式( 即数据可以在两个方向上同时进行传输) 。t c p 提供可靠 的数据传输，即所有被传输的数据最终都应到达接受端。由于口层不提供可靠 性服务，t c p 必须重新传输丢失的分组。在t c p 中，接受端对其所接受的每个 分组都进行确认，在一定时间范围内没有得到确认的分组会被发送方重传。如果 一个重复的分组到达接受端，可能是由于网络底层对其错误的复制也有可能由于 发送方对其错误的重传，接受端将会丢弃这个重复的分组。如果一个顺序乱了的 分组到达接受端，这个分组将会被重新排序。每个分组都会有自己对应的序列号。 当通信的双方均有数据要发送时，t c p 可以将确认信息在数据分组中发送以减少 控制信息的流量。 2 3 t c p 拥塞控制算法 v a nj a c o b s o n 奠定了t c p 流量控制的基本框架，但因为其在i n t e m e t 上举足 轻重的作用，后来的学者和研究人员继续对它进行了更为细致而深入的研究，不 断完善和改进了算法中存在的缺陷，相继产生了5 个主要版本的t c p 流量控制算 法，它们分别为t a h o e n 0 1 ，r e n o 1 ，n e w r e n o n 2 1 ，s a c k n 3 1 和v e g a s n 5 1 。t c p 实现 中，基本拥塞控制机制主要包含了“慢启动”、“拥塞避免”、“快速重传”、“陕速 恢复”四个算法。 蜒海大学硬圭学位论文 2 。3 。 t c p 攘塞控键靛整令除教 2 3 1 1 蠼癀动狳段 幽启动一个t c p 连接时，源端向网络发送许多分组，中间节点必须将其保 留于缓存之中，这样就有可能耗尽存储空间，从而导致网络吞吐麓急剧下降。慢 癌袭梳锚甏楚为了避免魏现象发生。 蓠先定义一个拥塞窗口( c w n d ) ，该窗口以报文段面非字节米计算大小。初 始化时，c w n d 为i ，t c p 发送端按照c w n d 大小来发送数据，以后每收到个：柬 鑫接受壤熬确认，c w n d 鹣篷藏随指数壤热，一直麓委菜个最大傻为止。借秘谨 启动机制，t c p 发送端可以有效地检测网络负载情况，确傺不会商目地肉已经逛 现拥寨的网络继续发送分组。 2 。3 1 2 鞠塞涟兔除段 一旦搽测到拥塞超时，进入拥塞避免阶段。将馒启动域僮( s s t h r e s h ) 设鼹 为当前c w n d 的一半。然后，置c w n d - - 1 ，熏新进入慢启动过瑕，直到c w n d = s s t h r e s h 。 在该阶段，c w n d 每 波餮一个确认字羧裔效( a e ) 簸宓蟊1 。当c w n d s s t h r e s h 时， 每经过一个徒返时间对c w n d 加1 。因此，在慢启动；f 珏拥塞避免中，c w n d 分剔对 应指数变化和线性变化，而并非味的指数增加。 2 3 1 。3 袄速重传阶段 巍t c p 接受端收到一个错廖的分组，它立即发蹬一个对最艨一个收到的按 序分组的a c k 消息。对于接着到来的分组也蓬复上述的发送过糨，直到丢失的 分缝副透。警发送端瘦弱3 个重复静a c k 詹，立鞠发送丢失分缀，丽不是等捌 重传越时。 2 3 1 4 快速恢复阶段 巍三个莛复a c k 爨这辩，设置s s t h r e s h = c w n d 2 ，重传丢失的分缀，设鬣 c w n d = s s t h r e s h + 3 , 每次有一个更多的羹复a c k 到达，烽c w n d 趣1 ，势农可能麴 情况下传输一个分组；只有在接爱到新分组的a c k 之后，发送端才退出快速恢 复除莰。 2 3 2t c p 发展的几个敝本 2 3 2 it c p 早期实现 9 第二牵终端系统拥塞控制机制 1 9 8 8 年耨魏t c p 使孺g o b a c k - n a r q 羹绩飘稍。燕传计时器的超时餐憋 r t t 鹊倍数。它对予分组案失鲍稳测是藿传计时器翡超时，它有鬻基予窗目的流 蓬控铺。 2 3 。2 2 挖p l 豳颤o e j a c o b s o n 在1 9 8 8 每改涟了缘来的t c p ，提出了t a h o e “，瞧称b s d 黼络1 0 敝奉( b n r1 ) 。它的簇奉思想是探测网络的可用带宽，在拥寨时急剃的降低数 据发送速率，苞瑟了簸基本酌t c p 糖鍪拄稍算法，由“慢格动”、“捅塞避免”和 “快速重传”三部分组成。“快速羹传”根据3 个熏复的确认分组翔断分组丢失 韵出现，扶丽减少等待“萋传时钟”超时韵过程掇商了分组的传输效率，除此之 舞，t a h o e 对往返辩阊计算遣俸了稽应的改避，叛便受准确地设意超时霪传的时 闽。 2 3 2 3t c p r e a o 1 9 9 0 牮，j a c o b s o n 又提出了r e n o “3 ，也称b s d 黼络2 。0 敝( b n r 2 ) 。r e n o 鼢基本愚想爨舟快速恢复避免了慢扁动，在收到三个和以上复制的a c k 时进入 快速霞传和快速恢复，在越时时进入慢启动。它在t a h o e 的基础上增加了“快速 恢复”算法来提高捐塞恢复的效率。鲡巢将铩测蜀分缀丢失至接收到重传分组之 间豹澜隔定义为快速耋传快速恢笈( f r f r ) 间隙，那么在t a h o e 中，流控窗口怒 冻结的，这种梳审8 造成的直接后果是，当羹传分组鬻4 达接收端时，从源到目的地的 t c p “管邋”( p i p e ) 是宪全清空了鞠，为了防止遮一现象的发生，洳发送端收到 一定数量的重复a c k 之后，立即进入“快速恢复”阶段。与t a h o e 将拥塞窗口 减半，迸入“憷启动”j 过程不同，在r e n o 中，源端在接收到足够多的重复a c k 之 籍，霜接箫弱来的羹复a c k 触发新数攒分缎的发送只有在接收剿新发分缀的 a c k 后，源端才运斑“快速恢复”阶段r e n o 的“快速恢复”优化了单个分组从 数据窗口蒜失时韵情况，l tt a h o e 的性熊大有改进，假有多个分组从同一数据窗 鞠丢失对，依旧存在憔能润题。 2 3 。2 4t c p n e w r e n o 1 9 9 6 年f a h 和f l o y d 在r e n o 的基础上提出了n e wr e n o “”，对r e n o 算法作 了一篓小改进，敬消除蠢多个分组从同一数掇窗口丢失时对重砖定时器的等待。 在r e n o 中，处于快速恢复状态的发送方在收至第一个正常的确认后就会离开快 1 0 淫海大学硬圭学健论文 速重传快逮恢复。当存在多令分鳃丢失时，这一冀法缀难将它们全部浚复。改 进考虑到发送端在“陕速恢复”阶段收到的“恢复a c k ”魑确认部分而不是全部 出现在“快速恢复”阶段的分缎。n e wr e n o 直到所有在“快速恢复”阶段开始 时出现戆分缀都被确认，才会邋出“快速拨复”。 2 3 2 5t c p s a c k 1 9 9 6 年m a t h i s 、m a h d a v i 、f 1 0 v d 和r o m a n o w 还提出了r e n o 的弱一变体 s a c k t ”3 。它采彝l 选择瞧壤谈露不是g o 。b a c k - n 凝剑，涟一步提褰t c p 程援 塞较严重且有多个分组丢弃时的性能。a c k 中的s a c k 域包含一定数量的s a c k 块，缚一个s a c k 块记录了信宿端接收或缓存的非连续分组。进入“1 陡速恢复” 过程与r e n o 相似，荚阙，s a c k 维护了一令潍戈“p i p e ”翡变豢，露寒 砉诗爨 现在网络中的分组数。当p i p e 小于拥塞窗口大小时，发端发送新的或孺重发的 分组，并将变量p i p e 加1 。当发送端按收了一个带s a c k 选项的重复a c k ，表 明毅分组邑拔接牧蝼接牧，p i p e 变量城1 ；p i p e 交量瓣搜鲻将每辩发送与发送潞 一个分组有效解耦。发送端维护了一个特殊的数据结构记忆前面s a c k 的确认 信意。当发送端被许可茂送分组时，依次发邀丢失列表中记录的分组；巍重传分 组本蹙被丢赛居，s a c k 援重黄怒黠撵测丢失，再次霪抟爱送入“疆癌羲”遘麓。 在确认了所有出现在进入“快速恢复”阶段的分组之后，发送端将从“快速恢复” 阶段退出。 2 。3 。2 6t c p v e g a s 1 9 9 4 年，b r a k m o 和p e t e r s o n 提出了v e g a s “”。农高速网络中，r e n o 和它的 变体n e w r e n o 、s a c k ，均是通过分组丢失来判定网络拥塞并不怒最为合适的协 议，自予当镶艇发现分缀曩失露，键键发送数攮羲露叠交纯菲豢大，这格对擐戮 端控制带来不利。v e g a s 则是根据往返时延( r o u n dt r i pt u n e ，r t r ) 变化动态改 变发送窗口大小，这一特点通过仿真可以说明有助于队列的稳定。v e g a s 对 r e n o 遴行了三瑷重要静技术改避：( 1 ) 采惩了毅熬耋传魅发援裁，帮震个重囊 a c k ( 而非r e n o 中的3 个) 来启动超时判定规程。这样可以更及时地检测到拥 塞的发生。( 2 ) 在慢启动阶段采用了更加谨慎的方式来增加窗口大小，减少了不 必要豹分缝曩失。( 3 ) 改邀“糖寨避受”除段粒窑馨调整舅法。v e g a s 遴过戏溺 t c p 造接中r t t 时间的变化，惭非分组的丢失来搽测网络可能出现的拥塞，并 l i 第二常终端系统拥塞控制枫剁 翘瘟竣调节掇塞塞翻鲍大，l 、。v e g a s 能鞍好逮鞭测鼷络繁燮戆使用跨瑷，黠小缓 存的邋应性较强，效率也较为理想。只是使用v e g a s 和未使用v e g a s 的t c p 连 接在竞争带宽方面存在严覆的不公平现象。 摄然各个舨零豹t c p 滚量控溅已被终戈耘准在i n i e r n e t 广泛锭溺，瞧人铰认 为它们依旧不够完蒋，需疆新的策略与算法来完善研究与成用中发现的新问题。 2 。4 现有端到端拥寨控制机制 t c p 糖塞控制规毒l 蹩基予塞疆蟾霹式增燕积式减小( a d d i t i v ei n c r e a s e m u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e ，a i m d ) “。的控制机制。a i m d 依赖简洁的实现机制，在多 个稆甄冲突的目标之简实现了鞍为理憩的平衡与协调。虽然无法保证具有不同属 性的终端系绫( 譬如零固r t t 时瓣、不闲分缝大小、缝露蚕爨魏数瓣攘塞链路等) 能够分配到等量的带宽，但却能确保大致相似的用户得到基本相镣的网络资源。 只是在探铡空闲带宽和响绒拥塞的过程中，t c p 控制簿法造成了信源速率的大幅 变化。虽然农些“尽力传浚”懿i n t e r a c t 监务辘够缀好遮遥疲这耱变耽，餐有麴 应用则显得极不适应比如流媒体业务受希望拥塞控制机制对于拥塞的响应能够 缓慢一些，从而有一个较为平滑的带宽占用来更好地匹配实时生成的业务码流。 在组攘照务审t c p 滚量掇裂更鬟褥蹩脚，嚣必宅零要组瘫爨寿戆接牧者罄黠分 组的传输加以确认，由此产生了许多难以克服的技术问题。一方丽，需要一致的 t c p 流量控制来这到公平的带宽分配：另一方面，为了适应业务的特点又期望放 弃t c p 流量控剁掇程，逮释蓬戆的嚣滚羼瑟键使磅究者撬窭薪戆流量控铡瓿稍 于是，有了“t c p 兼容性”( t c pc o m p a t i b i l i t y ) 概念等价的说法是t c p f r i e n d l i n e s s 附3 。这种新机制的基础是一个重要的研究结论：t c p 流占用的带宽征 魄与分组丢失率平方攫獒恻数“”。如果一静掇褰控裁凝裁侵连接瓣吞睦慧每分缎 的稳态丢失率之间的函数关系与t c p 保持相似，那么就称这种拥塞控谁4 机制是 “t c p 兼容的”。“t c p 兼容性”概念的引入给拥塞控制的研究注入了活力，打 破了撵塞控铡枣应耀没诗不圈魏褰控毒l 葵法鹣霹能。在短短涎三年静对黼垂，激 经产生了不少新的机制和算法，篡中包括t c pf r i e n d l y 的速率控制( 评r c ) “”和 其他基于方稷的拥寒控制“”、二颁式拥塞控制o ”、具有不同a i m d 参数的拥寨 控毒l 冀法滋及接收蠛t c p 镑冀凝裁( t c pe m u l a t i o na tr e c e i v e “t e a r ) 鼬1 等。 瓣海大学硕士学投论文 上述端到斌拥塞控剁枧镱l 在响应分组曩失对，不像t c p 淀