（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊pid算法的网络拥塞控制问题研究.pdf

at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g o np r o b l e m so fn e t w o r k c o n g e s t i o nc o n t r o lb a s e d o n f u z z yp i da l g o r i t h m s b yl il i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i n gy u a n w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 咖2 -2m 6m坩i 哪7iiiiiy l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：磅株1 于。阻p 匕义if 侣笠囟：7 7i 、 日期： 沙据、7 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：鸯朴 签字日期： h 哺7 导师签名： 签字日期： i 东北大学硕士学位论文摘要 基于模糊p i d 算法的网络拥塞控制问题研究 摘要 科学技术高速发展，新型网络应用不断涌现，用户数量迅速增加，由此引发的网络 拥塞成为制约网络发展和应用的瓶颈问题，如何更好地预防和控制网络拥塞成为近年来 网络研究领域的热点。仅依靠基于源端的t c p 拥塞控制已不能满足服务质量要求，基 于路由器的拥塞控制机制逐渐成为研究的重点。主动队列管理算法( a q m ) 是基于路由器 的拥塞控制的重要组成部分。 本文首先介绍了捌塞控制的定义、产生的原因和t c p i p 拥塞控制机制；着重介绍 了i p 拥塞控制机制中的主动队列管理算法，并指出它在拥塞控制中的重要作用。主动 队列管理算法解决路由器满队列问题的方法，是在队列满之前就对到达的数据包进行丢 弃，这样端节点便能在队列溢出之前做出反应，从而避免真正拥塞的发生。随机早期检 澳, t j ( r e d ) 算法是著名的a q m 算法，而基于控制理论的拥塞控制成为新的研究热点。 近几年，智能控制理论在网络拥塞控制中的应用取得了很大的进展。本文在研究主 动队列管理算法的基础上，考虑了网络环境的复杂性和网络模型的不确定性，将智能控 制中的模糊控制与常规p i d 控制结合起来，采用模糊增益调整p i d 控制算法作为主动队 列管理算法，对网络拥塞进行控制。模糊增益调整p i d 控制器，既具有模糊控制灵活而 适应性强的优点，又具有p i d 控制精度高的特点，能达到传统拥塞控制所不能达到的控 制效果。 为了解决模糊增益调整p i d 控制算法设计复杂、耗时的问题，本文研究了模糊p i d 混合控制算法，将具有p d 控制功能的二维单输出模糊控制与p i 控制相结合，并将变速 积分引入p i 控制器，解决因固定的积分常数在某些调节时刻过大而造成超调过大的问 题。 针对模糊增益调整p i d 控制算法和模糊p i d 混合控制算法基于m a t l a b 进行仿真。 通过仿真结果表明，两种模糊p i d 算法能有效地将队列长度稳定在目标值附近，具有较 强的稳定性和鲁棒性，适应多变的网络环境，而后者的控制效果更优越。 最后，对全文进行了概括性总结，在此基础上，对以后的工作进行展望。 关键词：t c p i p 网络；拥塞控制；主动队列管理；模糊p i d 算法；变速积分 一i i 、 ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o np r o b l e m so fn e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o lb a s e do nf u z z yp i d a l g o r i t h m a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h en e t w o r kc o n g e s t i o n b e c o m eab o t t l e n e c kp r o b l e m ，w h i c hr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fn e t w o r k t h e r e f o r e ，t h ec o n g e s t i o nc o n t r o lh a sb e c o m ea na c t i v ei s s u ei nt h ef i e l do fn e t w o r kr e s e a r c h t h et c p c o n g e s t i o nc o n t r o li m p l e m e n t e di ns o u r c en o d ec a nn o tf e e dt h eq u a l i t yo fs e r v i c e ， t h e r e f o r e ，c o n g e s t i o nc o n t r o lw h i c hi sb a s e do nr o u t e rg r a d u a l l yb e c o m e st h em a i nd i r e c t i o n i nc u r r e n tr e s e a r c h a c t i v eq u e u e m a n a g e m e n t ( a q m ) i st h es i g n i f i c a n tc o n s t i t u e n t t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n dm e a n i n go fc o n g e s t i o na n dc o n g e s t i o nc o n t r o l ，a n d t h em e c h a n i s mo fc o n g e s t i o nc o n t r o lo ft c p i pi si n t r o d u c e d t h e nt h ea q m a l g o r i t h mo fi p c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi se m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e d ，a n dt h ep a p e ri n d i c a t e st h a tt h e a q mi sv e r yi m p o r t a n ti nc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 t h ea q m a l g o r i t h md r o p st h ed a t a - p a c k a g e s b e f o r et h eq u e u ea c h i e v i n gf u l l ，s ot h a tt h et e r m i n a ln o d ec a nr e s p o n s ee a r l y , a n dt h u st h e c o n g e s t i o nc a nb ea v o i d e dt r u l y r e di st h em o s tf a m o u sa q ma l g o r i t h m ，a n dc o n g e s t i o n c o n t r o lb a s e do nc o n t r o lt h e o r yb e c o m e san e wr e s e a r c hf o c u s i nr e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r yi nc o n g e s t i o nc o n t r o lh a sm a d e g r e a tp r o g r e s s b a s e do nt h ea n a l y s i so fa q ma l g o r i t h m ，c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h e n e t w o r ka n dt h eu n c e r t a i n t yo ft h en e t w o r km o d e l ，t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h a tc o m b i n e st h e f u z z yc o n t r o la n dt h ec l a s s i c a lc o n t r o la l g o r i t h mp i d ，t op r o c e s st h ec o n g e s t i o nc o n t r o l ，a st h e a q ma l g o r i t h m t h es e l f - t u n i n gg a i nf u z z y p i dc o n t r o la l g o r i t h mw h i c hu s e st h eo u t p u to f f u z z y - c o n t r o l l e rt ot u n et h ep a r a m e t e r so fp i di n t h i sp a p e r , n o to n l yh a st h ea d v a n t a g e so f g r e a tp r e c i s i o no fp i dc o n t r o l ，b u ta l s oh a st h es t r o n gp o i n t so fa g i l i t ya n da d a p t i v eo ff u z z y c o n t r 0 1 t h ef u z z y - p i dc o n t r o lc a ng e tt h eg o o dc o n t r o le f f e c tw h i c ht h et r a d i t i o n a lc o n t r o l c a n ta c h i e v e t os o l v et h ep r o b l e m so fd e s i g n - c o m p l e x i t ya n dt i m e c o n s u m i n g , c o m p o s i t i v ec o n t r o l a l g o r i t h mo ff u z z y p i dw a ss t u d i e d c o m b i n et h ep l a n a rs i n g l e - o u t p u tf u z z yc o n t r o lw h i c h h a st h ec a p a b i l i t yo fp dc o n t r o lw i t ht h ep ic o n t r 0 1 a n dt h eg e a r s h i f ti n t e g r a li si n d u c t e di n p ic o n t r o lt os o l v et h ep r o b l e m sc a u s e db yg r e a ti n t e g r a l t h es i m u l a t i o ni sp r o c e s s e di nm a t l a b c o m p a r i n gt h es e l f - t u n i n gg a i nf u z z y p i dc o n t r o l a l g o r i t h mw i t ht h ec o m p o s i t i v ec o n t r o la l g o r i t h mo ff u z z y p i d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ea l g o r i t h mc a ns t a b i l i z et h eq u e u el e n g t ht ot a r g e tv a l u e b o t ho ft h e ma r ea p p l i c a b l et o t h ec o m p l e xa n dv a d o u sn e t w o r ke n v i r o n m e n t sa n dh a v eg o o ds t a b i l i z a t i o na n dr o b u s t n e s s a n dt h el a t e ra l g o r i t h mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e 一l l l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s t l y , t h er e s e a r c hw o r ki sc o n c l u d e d t h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o ni sp o i n t e do u t ，a n d t h ep r o s p e c to fs o l v i n gc o n g e s t i o nc o n t r o li sl o o k e df o r w a r d k e y w o r d s ：t c p i pn e t w o r k ；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 ；f u z z y p i d a l g o r i t h m ；g e a r s h i f ti n t e g r a l 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘昙要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 网络拥塞控制研究背景和意义l 1 2 网络拥塞与网络拥塞控制2 1 3 网络拥塞控制国内外研究现状6 1 4 本文主要工作7 第二章t c p i p 网络拥塞控制策略分析9 2 1t c p 拥塞控制9 2 2i p 拥塞控制。1 3 2 3a q m 算法一1 7 2 3 1r e d 及其改进算法1 7 2 3 2 基于优化理论的拥塞控制算法1 9 2 3 3 基于控制理论的拥塞控制算法1 9 2 4 本章小结2 2 第三章模糊增益调整p i d 控制a q m 算法研究2 3 3 1 网络拥塞控制机制建模2 3 3 1 1 网络受控对象建模2 5 3 1 2 平衡点附近线性化2 6 3 2p i d 控制和模糊控制理论。2 9 3 2 1p i d 控制2 9 3 2 2 模糊控制理论3 0 3 3 模糊p i d 主动队列管理算法研究3 4 3 3 1 模糊p i d 控制器的结构3 5 3 3 2 模糊p i d 控制器的设计3 5 3 4 仿真分析4 0 3 4 1 常规p i d 控制与模糊增益调整p i d 控制仿真比较4 0 3 4 2 模糊增益调整p i d 控制算法在网络环境发生变化时性能仿真研究4 1 3 5 本章小结。4 3 第四章模糊p i d 混合控制a q m 算法研究4 5 一v 一 东北大学硕士学位论文 目录 4 1 模糊p i d 混合控制器的结构。4 5 4 2 模糊p i d 混合控制器的设计4 6 4 2 1 二维模糊控制器的设计4 6 4 2 2p i 控制器的设计4 9 4 3 仿真分析5 1 4 3 1 模糊p i d 混合控制算法与模糊增益调整p i d 控制算法仿真比较5 1 4 3 2 模糊p i d 混合控制算法在网络环境发生变化时性能仿真研究5 2 4 4 本章小结5 4 第五章总结与展望5 5 5 1 本文的主要工作5 5 5 2 展望5 6 参考文献5 7 蛩疋谢。6 1 一一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 信息时代的今天，随着i n t e r n e t 网络的广泛利用，我们日常生活已经越来越依赖于 网络带给我们的各种信息，人们不仅通过i n t e r n e t 传送邮件和发送文件，而且还享受着 语音聊天、视频通话、在线电影和网络电视等丰富多彩的网络业务，通过网络进行数据 和信息的传输也已经成为现代商业社会重要且不可缺少的组成部分和赖以生存的基础。 网络中传输的不再是单纯的数据文本，而是夹杂公众多媒体流，出现多种服务要求、多 种数据类型流的混合存在。近年来，随着信息技术的迅猛发展，各个领域的网络应用大 量增加，网络服务模式也不断丰富，使得原来已经存在的庞大数据传输量成倍的增长。 而网络硬件资源的增长速度是无法满足如此快速的传输需求增长的，于是网络拥塞就产 生了。 1 1 网络拥塞控制研究背景和意义 网络拥塞问题是n a g e l 在2 0 世纪8 0 年代首次提出的，他指出特别是在路由器连接 的带宽差异较大的网络中，容易发生拥塞。但学术界并没有重视这个问题。直到1 9 8 6 年，a p p a n e t ( 美国国防高级研究计划局网络) 首次出现了一系列的拥塞崩溃现象【1 1 ，美 国l b l 到u c 的网络数据吞吐量从3 2 0 k b p s 急剧跌落到4 0 b p s ，许多分散在各地的网络 节点被迫长时间停止使用。从那时起，人们才意识到有效的利用网络资源的意义，并开 始着手寻求有效解决网络拥塞问题的方案。近些年来，也有不少拥塞现象发生：2 0 0 1 年2 月和2 0 0 6 年1 2 月由于我国通往美国的海底光缆发生阻断，我国临时用卫星线路进 行网络通讯，而巨大的访问量和卫星线路的小带宽，导致了大量的数据包被丢弃，造成 了访问北美国家的速度下降，有时甚至无法访问。 网络中发生拥塞后如果不加以控制，往往会导致恶性循环，这是如果路由器没有空 余的缓存空间，它就丢弃新到的数据包，当数据包丢弃时，发送端可能会因为超时而重 传此包，由于发送端在未收到确认之前不能丢弃数据包，相应的缓存不能释放，使缓存 进一步消耗，导致拥塞加剧，在网络流量非常高的情况下，网络甚至会完全瘫痪，几乎 没有数据包能够到达接收方。网络拥塞已经成为制约网络发展和应用的一个瓶颈，如何 更好的预防和控制拥塞一直是近年来网络研究的热点问题。 一般来讲，网络拥塞问题可以通过升级网络硬件来解决，如提高网络带宽，增大路 由器缓存或者是提高处理器的频率，这也是拥塞产生的最初采取的应对措施，拥塞问题 也因此得到了一定的缓解。但是新增加的资源又迅速的被更多的应用所占用，而且有研 究表明，持续增加网络容量这种治标不治本的方法反而使得网络拥塞控制的稳定性问题 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 越来越严重，当网络规模增大到一定程度时，现有的拥塞控制系统将不再稳定。 网络拥塞的不可避免使得我们不得不采取积极主动的控制策略来避免拥塞的发生， 即使发生拥塞，也能及时地恢复正常，从而把网络崩溃的可能性降到了最低，同时网络 拥塞控制也必须保证链路利用的效率。网络拥塞控制既是提高网络服务质量的重要手 段，也是控制网络拥塞的需要，因此，对网络拥塞控制的研究具有重要的理论意义和应 用价值。 1 2 网络拥塞与网络拥塞控制 ( 1 ) 拥塞的定义 对于网络拥塞，人们没有严格的定义，普遍上认为拥塞是用户给网络带来的负载 ( l o a d ) 大于网络资源容量和处理能力时，网络提供的服务质量将降低，需求超过了其固 有容量的一种持续过载状态。拥塞发生时，在路由器中排队的数据包达到缓冲区能够容 纳的限度，导致缓冲区溢出，路由器开始丢弃新到达的数据包。表现为数据包时延增加、 丢弃概率增大，网络效率降低等。就i n t e r n e t 的体系结构而言，拥塞是i n t e m e t 运行过程 中经常发生的一种现象，这与i n t e r n e t 的网络结构和服务模型密切相关，拥塞的发生是 其固有的属性。图1 1 显示了拥塞发生的情况【2 1 。 髂 较 汝 翟 况 发送数据也量 图1 1 网络拥塞情况 f i g 1 1c o n g e s t i o ns i t u a t i o no fn e t w o r k 实际上，拥塞不仅与网络负载相关，而且与用户对服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 的满意度相关。根据文献【3 】，这里给出两个比较类似并且相对被普遍认可的拥塞定义。 定义1 1 ：如果因为网络负载增加而导致用户f 的满意度降低，用户则认为网络发 生拥塞。 定义1 2 ：如果由于用户f 的网络连接性能的变化而导致其满意度降低，用户f 则 认为网络发生拥塞。 拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源的需求超过了网络所固有的 一一 z 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 容量。当拥塞严重时，网络性能急剧下降，网络处于拥塞崩溃状态时，微小的负载增量 都将使网络的有效吞吐量急剧下降。文献【4 】用图1 2 来描述拥塞的发生。 响 应 时 间 删络负载网络负载 图1 2 网络负载与吞吐量、响应时间之间的关系 f i g 1 2t h er e l a t i o n s h i po fn e t w o r kl o a dw i t ht h r o u g h p u ta n dr e s p o n d i n gt i m e 从图1 2 中我们可看出，当负载较小时，吞吐量的增长和负载相比基本呈线性关系， 响应时间增长缓慢；当负载达到一定网络容量时，吞吐量呈现出缓慢增长，而响应时间 急剧增加，延时增长较快，这一点称为膝点( k n e e ) ，当负载超过此点之后，网络开始排 队、丢包，这时网络进入了一个中等的拥塞状态。在这个区域，网络继续传送负载，延 时也在增长。当一些节点经历到中等的拥塞时，其他节点可能经历着严重的拥塞，以至 于必须丢弃一些数据包。如果负载继续增加，路由器开始丢包，当负载超过一定量时， 吞吐量开始急剧下降，这一点称为崖点( a i r 0 ，当网络上的负载继续加，超过崖点之后， 吞吐量急剧下降接近零，延时趋于无穷。通常将膝点附近称为拥塞避免区间，膝点和崖 点之间称为拥塞恢复区间，崖点之外称为拥塞崩溃区间。 为了最大限度地利用资源，网络工作在轻度拥塞状态时应该是较为理想的，但这也 增加了滑向拥塞崩溃的可能，因此需要一定的拥塞控制机制来加以约束和限制。拥塞控 制的目的就是在网络接近于拥塞崩溃点c l i f f 时能尽快检测到，并采取措施减小网络负 载，使网络恢复到正常状态，保持在c l i f f 点左侧运行。 ( 2 ) 拥塞产生的原因 对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分是网络中拥塞现象发 生的根本原因。网络中的有限资源被多个用户共同使用，i n t e r n e t 上的用户和应用不断 增长，增加了网络发生拥塞的可能性。 拥塞产生的直接原因可归结为以下几点【5 l ： 1 ) 带宽容量不足 低速链路对高速数据流的输入也会产生拥塞。根据香农信息理论，任何信道带宽的 最大值，即为信道容量c b l o g ：( 1 + 酬) ( 为信道白噪声的平均功率，s 为信道的平均 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 功率，口为信道带宽) 。所有信源发送的速率尺必须小于或等于信道的容量c 。若r c ， 则在理论上无差错传输是不可能的，所以在网络低速链路处就会形成带宽瓶颈，当其满 足不了通过它的所有源端带宽要求时，网络就会发生拥塞。 2 1 存储空间不足 几个输入数据流共同需要一个输出端口，在这个端口就会建立排队。在没有足够的 存储空间的情况下，部分数据包就会被丢弃，特别是对于突发数据流更是如此。当然增 加存储空间能够在某种程度上缓解这一矛盾，但是如果路由器尽管有无限的存储量，而 因为数据包在网络里经过长时间排队，完成转发时，它们早己超时，所以无限地增加存 储容量，拥塞只会变得更坏而不是更好。源端会认为这些数据包已经被丢弃，而它们还 会继续向下一路由器转发，从而浪费网络资源，加重网络拥塞。事实上，缓存空间不足 导致的丢包，更多的是拥塞的“症状而非原因。 3 1 处理器处理能力弱、速度慢 如果路由器的c p u 在执行排队缓存，更新路由表等功能时，处理速度跟不上高速 链路，也会产生拥塞。同样，低速链路对高速c p u 也会产生拥塞。 4 1t c p i p 协议拥塞控制机制中的缺陷 t c p 基于窗口的拥塞控制机制对于i n t e r n e t 的鲁棒性起到了关键性的作用，但其本 质上是端到端的拥塞控制机制，存在较大的延时和滞后性。另一方面，基于u d p 的应 用在i n t e m e t 中所占的比例正在增加( 如视频点播和i p 电话_ ) ，而u d p 数据流在网络拥塞 发生时，不会像t c p 那样减少向网络发送数据量，导致了网络资源分配的严重不公平 性。 要避免拥塞的发生，需要对以上各点综合考虑。各部分不平衡往往是导致拥塞发生 的原因，例如，不改变处理器而只是一味的提高链路速率，只会使网络瓶颈发生转移， 而不能避免拥塞。如果路由器没有空余的缓存，它就不得不丢弃新到达的数据包；而数 据包被丢弃，源端就会超时重传；又由于没有得到确认，源端只能保留数据包，这样缓 存就会进一步消耗。所以，网络一旦发生拥塞便是一个不断加重的过程。 拥塞控制是一个全局性的问题，要确保网络传输数据的能力，涉及到所有主机、路 由器以及所有其他能使网络负荷能力下降的因素。从广义上讲，拥塞控制涉及到网络中 的每一层，而具体的实施，一般是通过网络层和传输层的相互协作完成的。目前i n t e m e t 上实际使用的拥塞控制基本上是建立在t c p 的窗口控制基础之上的。m 层( 网络层) 的路 由器所起的作用相对较小。不过目前口层的拥塞控制研究已经逐渐增加并且成为一个 新的研究热点。这两种类型的控制实际上互相补充并形成一个完整的拥塞控制系统。在 拥塞中，终端系统事实上减少了源端的流量，而路由器控制，是由每个路由器承担主要 责任，对路由队列进行合理的优化，从而整体提高网络性能。终端控制方案中，端主机 一4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 观测网络状况( 如成功通过网络的数据包数) ，需要一个回路的时间来监测搁塞，另一个 回路的时间使拥塞措施有效。相比之下，路由器控制方案可立即在拥塞发生的地方采取 控制措施，然而流量在没有源端的调整下是不可能减少的。 拥塞控制可以分为不同的类型： ( 1 ) 根据实现位置可以分为两大类：链路算法( 1 i n ka l g o r i t h m ) 币1 源算法( s o u r c e a l g o r i t h m ) 1 6 l 。链路算法，即i p 拥塞控制，在网络设备( 如路由器和交换机) 中执行，其作 用是检测网络拥塞的发生，产生拥塞反馈信息给源端。目前，在链路算法中，研究主要 集中在主动队列管t 里( a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ，简称a q m ) 算法。其和传统的“队尾丢 弃”( d r o p t a i l ) 算法相比，a q m 在网络设备的缓冲溢出之前就对新到达的数据包丢弃或 标记。目前，在链路算法中，广泛使用的有传统的“队尾丢弃 ( d r o p t a i l ) 算法和主动 队列管理算法。源算法，在主机和网络边缘设备中执行，其作用是根据反馈信息调整发 送速率。源算法中使用最广泛的是t c p 协议中的拥塞控制算法，即t c p 拥塞控制算法， t c p 是目前i n t e m e t 中使用最广泛的传输协议，据统计，9 5 的总字节数和9 0 的总数 据包数都使用t c p 传输。t c p 中使用的拥塞控制算法已经称为保证i n t e r n e t 稳定性的重 要因素。 ( 2 ) 从控制理论的角度，拥塞控制算法可以分为开环控制和闭环控制两大类 7 1 。开 环控制方法，适合于整个流量特征可以准确规定，性能要求可以事先获得的情况下。这 种控制方法，在设计网络时事先将有关发生拥塞的因素考虑周到，力求网络在工作时不 产生拥塞。系统一旦安装并运行起来，就不再做任何中间阶段的更正。相反的，当网络 的流量特征不能准确描述或者系统不提供预留资源时，则需要进行闭环控制。闭环的拥 塞控制首先检测网络中拥塞的发生，然后将拥塞信息反馈给拥塞控制点，拥塞控制点根 据拥塞信息调整状况，消除拥塞。i n t e r n e t 中主要采用闭环控制方式，以动态的适应网 络的变化，其设计的关键是如何生成反馈信息和如何对反馈信息进行响应。此种控制虽 然能够适应网络的动态变化，但是反馈延迟会影响算法的性能，当延迟较大时，算法的 性能会严重下降。 ( 3 ) 实施控制的类型上，拥塞控制可分为基于窗i s l 和基于速率两种类型【8 1 。t c p 协 议中的拥塞控制是一种典型的基于窗口的拥塞控制方式。t c p 不断调整滑动窗口的大小 来控制发送到网络中的数量，这种方法实现简单，能够限制注入网络的最大流量。对实 时多媒体数据流的控制上，基于速率的控制方式更适合，这种方式采用对t c p 窗口控 制机制建模的方式，获得t c p 连接的吞吐量与网络参数之间的解析式，以此指导源端 如何调整发送数率的大小。 ( 4 ) 从推断网络状态的反馈信息的类型上，可以分为显式拥塞控制0 e x p l i c t ) 和隐式拥 躺| ( i m p l i c t ) 1 9 1 。前者，网络使用特定的通知数据包向执行控制的端点通知网络的当 一5 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 前状态。后者，控制端使用流量测量或超时、重复a c k 等信息推断网络的当前状态， 而网络不再向源端通知状态。 一个理想的拥塞控制算法应该具备以下这几个特点：首先，算法需要满足稳定性。 系统有且仅有一个平衡状态，一定时期扰动消失后，在拥塞控制算法的作用下，整个系 统会收敛于此平衡状态；其次，算法需要具有有效性。在算法作用下，既能保证网络运 行的效率，又能快速收敛于平衡状态；最后，算法应该具有鲁棒性和自适应性。面对不 同规模的网络，不同的链路状况，不同的用户负载等情况，拥塞控制算法应均能保持其 有效性。 要满足上述特点，设计一个较好的拥塞控制算法，并不是一件容易的事情，具体的 设计难点体现在【1 0 ，1 1 】： ( 1 ) 网络环境的复杂性 算法必须有很好的适应性，因为i n t e m e t 中各处的网络性能有很大的差异。另外， 由于i n t e r n e t 对数据包的正确传输不提供保证，所以，拥塞控制算法必须能处理数据包 丢失、乱序到达等情况。 ( 2 ) 算法的性能要求 拥塞控制算法对性能有着比较高的要求，包括算法的效率、公平性、稳定性和收敛 性等。而在这些性能指标中，可能它们之间还存在矛盾，在算法设计时就需要对各个性 能指标进行权衡。 ( 3 ) 算法的开销 拥塞控制算法必须尽量的减小附加的网络流量，特别是在拥塞发生时。在使用反馈 式的控制机制时，这个要求增加了设计的难度。算法还必须尽量降低在网络节点上设计 的复杂性。 ( 4 ) 算法的分布性 拥塞控制算法的实现分布在多个网络中的各个节点上，因此算法必须使用不完全的 信息来完成控制，而且要做到能够使各节点协调工作，还必须考虑某些节点工作不正常 的情况。 1 3 网络拥塞控制国内外研究现状 源端拥塞控制算法，亦即为t c p 算法，自1 9 8 8 年t c p t a h o e l l l 被提出来以后，相继又 产生了几个主要版本的t c p 流量控制算法，它们分别为r e n o i l 2 1 ，n e wr e n o 1 3 1 ，s a c i 【1 4 l 和v e g a s 等。各种版本的t c p 流量控制己被作为标准在i n t e m e t _ l = 广泛使用，虽然解决了 一些问题，但是依然不够完善。因此，需要新的策略与算法来完善并研究发现新的问题。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 链路算法，亦即i p 拥塞控制算法，随着研究的深入由传统的被动队列管理算法逐渐 集中到主动队列管理算法( a q m ) 上来。在主动队列管理算法中，以1 9 9 3 年f l o y d 和 j a c o b s o n 提出的随机早期检测【1 5 l ( r a n d o me a r l yd e t e c t i o n ，r e d ) 算法最为最著名，它通 过平均队列长度反应网络拥塞状况，以一定的概率丢弃或标记新到达的数据包。r e d 符 合a q m 的技术目标，r f c 2 3 0 9 推荐它为主动队列管理的惟一候选算法。 随着研究工作的进展和工程实践的验证，r e d 算法的一些缺陷也暴露出来，比如， 它在鲁棒性方面存在一定问题，它的性能对于设计参数和网络状况也比较敏感，在特定 的网络负载状况下依然会导致多个t c p 的同步，造成队列振荡、吞吐量降低和时延抖动 加剧。鲁棒的a q m 策略成为目f i 仃i n t e m e t 研究领域的一个技术热点，相继产生不少有影 响力的算法，如s r e d l l 6 1 ，f r e d 1 7 1 ， a r e d 1 8 1 ，n e wa r e d i l 9 1 ，b l u e 2 0 1 ，a v q 2 1 1 ， r e m l 2 2 】等。还有一些则是基于流量模型以控制理论为指导所设计的算法，女h p i l 2 3 】算法等 由蟹 号手。 国内的a q m 算法研究相当少一些，都是对已有算法的改进，主要有e b l u e l 2 4 】 ( e n h a n c e db l u e ) 、基于内模补偿的网络拥塞控制新算法i c a q m i 矧，延时补偿主动队列 管理算法【2 6 1 等。 1 4 本文主要工作 本文在介绍了网络拥塞控制的基础上，着重分析了主动队列管理算法。基于经典的 控制理论，主要研究了将智能控制中的模糊控制与常规的p i d 控制算法结合，作为主动 队列管理算法，应用在网络拥塞控制中。通过仿真试验验证模糊p i d 算法的优越性。 本文的内容和章节安排如下： 第一章介绍了网络拥塞研究背景，拥塞的定义及产生的原因；分析了网络拥塞控 制算法的分类以及算法设计的难点，最后简单总结了国内外的研究现状。 第二章分析了网络拥塞控制算法中源端控制算法和链路控制算法。着重介绍了链 路算法中近些年来的研究热点主动队列管理o 蛔m ) 算法，介绍了a q m 算法的提出、 发展和优势，并指出主动队列管理算法在网络拥塞控制中的重要作用。 第三章给出了线性化后的网络模型；分析了常规的p i d 控制，并将之与智能控制算 法中广泛应用的模糊算法集合，分析算法的可行性及优越性，并给出了模糊p i d 控制器 详细的设计步骤，将模糊p i d 控制作为主动队列管理算法应用于网络拥塞控制中基于 m a t l a b 对所设计的控制算法进行仿真，并将仿真结果与常规p i d 控制算的仿真结果进行 对比分析，说明模糊p i d 控制算法适用于复杂多变的网络环境。 第四章在分析模糊p i d 增益自调整控制算法存在的缺点的基础上，研究了模糊p i d 混合控制算法，设计了二维单输出模糊控制器；将变速积分引入p i 控制算法。在不同的 一7 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 网络环境中进行仿真，并与模糊p i d 增益自调节控制的仿真结果进行对比，说明该控制 算法在网络拥塞控制中有良好的性能。 第五章本论文工作的总结及对未来工作的展望。 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章t c p f l p 网络拥塞控制策略分析 第二章t c p i p 网络拥塞控制策略分析 t c p i p 指的是目前i n t e m e t 中广泛使用的两个协议。这两个协议规定了计算机之间 发送的信息应该怎样分层、数据包，怎样进行传输、以及其他诸多有关问题。t c p i p 的拥塞控制是其成功的关键，近年来一直是一个活跃的研究领域。 目前，在i n t e r n e t 上使用的拥塞控制机制基本上是建立在t c p ( 传输层) 的窗口控制 基础之上的，i p ( 网络层) 的路由器所起作用相对较小。不过现在在i p 层拥塞控制的研究 逐渐增多，形成一个新的研究热点。这些控制算法最终目的都是希望使网络达到：( 1 ) 吞 吐量最大化；( 2 ) 数据包平均时间延迟最小化；( 3 ) 用户之问资源分配合理化；( 4 ) 丢弃 概率最小化。 2 1t c p 拥塞控制 在源算法中，t c p 协议中的拥塞控制算法是目前最广泛使用的传输层协议，实施拥 塞控制是t c p 的两个主要任务之一。由于i p 层在发生拥塞时，不向端系统提供任何显 式的反馈信息，因而，t c p 采用的是基于窗口的，端到端的闭环控制方式。它的出发点 是使源端根据网络的拥塞程度调节其数据发送速率来控制网络的负荷。 通过控制一些重要参数的改变，t c p 拥塞控制得以实现。这些参数剧3 】： ( 1 ) 拥塞窗1 3 ( c w n d ) ：描述源端在拥塞控制的情况下，最多能发送数据包的数量， 是拥塞控制的关键参数。 ( 2 ) 通告窗1 3 ( a w n d ) ：目的端对源端发送窗1 3 大小所做的限制，在建立连接时由目 的端通过a c k 确认捎带给源端，它只在t c p 连接建立的初始阶段起作用。 ( 3 ) 发送窗口( w i n ) ：源端每次实际发送数据的窗口大小。 ( 4 ) 慢启动阈值( s s t h r e s h ) ：是拥塞控制中慢启动阶段和拥塞避免阶段的分界点。 初始值设为6 5 5 3 5 b y t e s 或a w n d 的大小。 ( 5 ) 回路响应时f n - ( r t r ) ：一个t c p 数据包从源端发送到目的端，源端收到目的端 确认的时间间隔。 ( 6 ) 超时重传计数器r ( r t o ) ：描述数据包从发送到失效的时间间隔，是判断数据包 丢失与否，网络是否拥塞的重要参数。通常设为2 r t t 和5 r t t 。 ( 7 ) 快速重传阈值( t c p r e x m t t h r e s h ) ：是能触发快速重传的源端收到的重复确认包 a c k 的个数。当此个数超j 瞳t c p r e x m t t h r e s h 时，网络就进入快速重传阶段。t c p r e x