（检测技术与自动化装置专业论文）多节点网络拥塞智能控制方法研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 计算机网络已经成为人类进入信息社会的一个重要标志并在深刻地改变着 人们的生活方式和工作方式，研究更好的网络行为模型和控制算法、减少网络 的拥塞和分组传输时延，提高网络传输效率，为用户提供更高品质的通信质 量，已经成为信息领域不断追求的目标和热点研究问题，引起了学术界的关 注。 本论文阐述了拥塞控制算法的发展，分析了网络拥塞控制的原理。扼要的 叙述了目前的网络仿真技术，简单介绍了本课题所使用的仿真工具o p n e t 软 件。并且从应用的角度详细论述了计算机网络仿真模型的建模原则、步骤和基 于对象的网络仿真模型的和建模方法，找到了实际网络和仿真模型的映射关 系，给出了网络域、节点域和进程域三层网络仿真模型的基本结构。同时对简 单包计数例程进行了仿真建模和实验分析。根据网络结构的复杂多元性，设计 了一个多级网络节点模型，提出了一种基于网络多级节点自身调节的控制机制。 根据各级信源的特点，分别选用了概率丢弃控制算法与单神经元自适应p i d 相 结合的控制机制，对所设计的多级网络节点模型进行了仿真实验分析。经过 o p n e t 在线仿真实验，取得了良好的控制效果。最后，作者开始研究并编制 在w i n d o w s 操作平台下基于s o c k e t 接口的网络直接仿真软件，这个软件的仿 真过程是在真实的局域网流动的数据报文中实现的，一定程度上验证了p i d 算 法可以解决网络拥塞，有一定的实际意义。 本课题以现场总线技术及自动化北京市重点实验室为依托，以控制理论和 o p n e t 网络仿真软件为工具，承蒙重点实验室开放资金的支持和孙德辉教授 的精心指导，在网络拥塞避免方面做了大量的研究工作并取得了部分研究成 果。 关键词：网络拥塞闭环控制，概率丢弃，多级网络，直接仿真软件 北方工业大学硕士学位论文 i 沁s e 砌o n i f l t e l l i g e n tc o n g e s t i o nc o n 的lm e c h a n i s m o f m u l t i l e v e ln e 船o r kn o d e s a b s t r a c t c o m p u t e rn e t w o 水i s i m p o r t a i l tl a i l d m a d 【i n t oi n f 0 仰a t i o ng e n e r a t i o n ，锄di th 嬲 c o m p r e h e n s i v e l yc h a l l g e dh u m a l lb e i n g sl i f ca i l d 、阳r ks t y l e s r e s e a r c h i n go nn e t 、o r k m o d e la n dc o n n 0 la l g o r i t l l l i l ，r e d u c i n gn e 研o r kc o n g e s t i o n 锄dp a c k e t st r a i l s m i s s i o nt i m e - d e la y s t i - 饥舀h e n i n g 仃a n s m i s s i o ne m c i e n c y ，a i l di m p r o v i i l gc o m m u i l i c a t i o nq u a l i t yf o r l l s e r sa r ct l l eg o a l st l l a tw e 盯ea l w a y sp u r s u i n g 洫t h ea r e ao fi i l f o m a t i o nt e c i l l l o l o 黟 t h ep a p e re x p o u n d sm ed e v e l o 肿e n to fv a r i o u sc o n g e s t i o nc o n t f d lm e c h a n i s m ， 觚a l y z e sm et h e o r yo fc o n 留e s t i o n n 仃o l ，e s s e n t i a l i z e st h ep r e s e n tt h en e t w o r ks i m u l a t i o n t e c h n o l o 科a n di 曲r 0 i d u c c sm es i m u l a t i o ns o m ，a r e 一o p n e tw h i c hi su s e di ns i m u l a t i o n t e s t i n gi ns h o r t t h e nm ep a p e ri l l u s t r a t e st h em o d e l i n g 研n c i p l ea n dp r o c e s so ft h e n e t 、) l ，o r ks i m u l a t i o n s t u d i e st l l es i m u l a t i o nm o d e lb a l s e do nr e a lo b i e c t ，f i n d st h em a p p i n g r e l a t i o n s h i po ff - a c tn e t w o d 【a n ds i m u l a t i o nm o d e l ，a 1 1 d 西v e st h eb a s a ls t r u c t u r eo ft h r e e i a l ，e r sn e t w o r ks i l l l u l a t i o nm o d e lw h i c hi sm a d eu po fn e t w o r l ( r e g i o n ，n o d e sr e 西o na n d p r o c e s sr e g i o n t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h es i m u l a t i o nm o d e l 锄dt h ee x p e r i m e n ta n a l v s eo f c o u n t i n gs i m p l ep a c k a g e am u l t i l e v e ln e t w o r kn o d em o d e li sd e s i 印e da n dt h ec o n t r o l m e c h a n i s mb a s e do nm u l t i l e v e ln e t w o r l ( n o d e si sp r o p o s e da c c o r d i n gt oc o m p l i c a t e d n e t w o r l 【s t r u c t u r e b ym ec h a r a c t e r i s t i c so fe v e r yi e 、，e is o u r c e ，m ee x p r e m e n ta n a l y s eo f n l em u l t i l e v e ln e t 、v o r l ( n o d em o d e la 玎e 西v e ni nt l l i sp a p e r c h o o s e i n gp r o b l b i l i t yd f o p s t m t e g y 锄db pn e u r a ln e 附o r k ( n n lpi dc o n t r o lm e c h a n i s m s a n do n l i n es i m u l a t i o n b a s e do n0 p n e ts h o w2 0 0 dp e r f o 咖a n c eo ft h r e ep r o p o s e dc o n t r o lm e c h a n i s m s a tl a s t ， a u t h o rs t i l d i e sa n dc o m p i l e sd i r e c tn e t w o r ks i m u l a t i o ns o 胁a r el l n d e rt h ew i n d o w s p l a t f o mw h i c hi sb a s e do ns o c k e ti n t e r f a c e t h es i m u l a t i o np r o c e s so ft h es o r w a r ei s r e a l i z e di nr e a ld a t a 灯a mo fl o c a ln e t w o r k s ，v a l i d a t e st h a tp i dc o n t r o lm e c h a l l i s m sc a l l r e s o i v ec o n g e s t i o np r o b i e i ni nac e n a i ne x t e n t i th a sp r a c t i c a ls i 印i f i c a n c e 【埘n go nt h ef i e l db u st e d m o l o g y & a u t o m a t i o nt h ek e yl a bo fb e i j i n 岛u s i n gt h e t o o lo fc o n 蜘d lt h e o d ，a n do p n e tn e t w o r ks i m u l a t i o ns o f h a r e ，s u p p o r t e db y o p e n f o u n d a t i o na n ds u nd e h u ip r o c e s s o r e l a b o r a t eg u i d e ，m yr e s e a r c hf o c u s e s0 nn e t 、v o r k c o n g e s t i o na v o i d a n c e ，al a 略eq u a l l t i t yo fr e s e a r c hi sd o n ea n ds o m ea c h i e v 锄e n th a sb e e n a t t a i n e d k e yw o r d s ：c o n g e s 仰c l o s e dl o o pc o n 仃o l p r o b a b m t yd r o p p i n g ，m u l t i l e v e l n e t w o r k 随r e c tn e t w o r ks i i n i i i a t i o ns o r w a i 屯 - 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 垦友王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：希冲签字日期：b 沣多月，瑁 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 匕友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 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。本人授权i e 左至些太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：洽午 导师签名： 签字日期：0 7 年石月f 汨 签字日期：) 呻年月1 1 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 引言 计算机网络是计算机技术与通讯技术相互渗透、密切结合的产物，互联网 的广泛应用与全球高速信怠公路建设的基础，对整个社会的进步作嵩了重大贡 献。随着计算机网络的飞速发展，随之而来的是越来越严重的拥塞问题。拥塞导 致的直接结果是分组丢失率增大，端到端时延加长，甚至有可能导致整个系统 瘫痪。当网络处予严重拥塞状态时，微小的负载增量都将使网络的有效吞吐量 发生崩溃。据统计，i n t e m e t 上9 5 的数据流采用t c p i p 协议，所以t c p i p 的 搁塞控制( c o n g e s t i o n c o n t r 0 1 ) 机制对于网络中的拥塞控制问题具有特别重要的 意义。 计算机发展中硬件的发展迅猛，但硬件的飞速发展并未带来网络服务质量 的飞速发展，网络拥塞、网络速度和质量依然困扰着人们，而解决它们最常用 的方法就是更新网络设备提供更多的带宽。虽然这在许多情况下是有效的，但 并不是解决网络拥塞相关的网络服务质量的根本方法。在这种情况下，基于控 制理论的思想设计先进的黼络拥塞及两络时延控制祝镪、研究更好的网络彳亍为 模型和控制算法、开发更好的网络硬件和软件，提离网络传输效率等方面的研 究具有重要的现实意义，已经零| 起7 控制领域学者的关注。 从因特网第一次发生崩溃之后，人们立即开始分析其导致网络崩溃地原 因，并设法提出有效地解决方案。到1 9 8 8 年，v 鑫n 了a e o b s o n 等提壅了“慢痛 动( s l o ws t a r t ) 、“拥塞避免( c o l l g e s t i o na v o i d a n c e ) 算法，取得了很大的成 功。t c p t 娃o e 是一个具体的实现。它包括馒痘动、拥塞避免和快速重传3 个 阶段。随着网络的迅速发展和结构的日益复杂化，仅仅依靠端到端的t c p 拥塞 控制是不够的，网络本身也要参与拥塞控制。换句话说，就是需要处于网络层的 l p 参与拥塞控制，在路由器中采用排队算法和数据包丢弃策略，以减轻网络的负 担。目前，l p 拥塞控制算法主要有：先进先出( f l f o ) 、随机早期检测( r e d ) 、 显式拥塞指示 使用范 围广，既可以用于现有网络的优化和扩容，也可以用于新网络的设计，而且特别适用于 大中型网络的设计和优化；( 3 ) 初期应用成本不赢而且建好的网络模型可以延续使用，后 期投资还会不断下降。 网络仿真技术在网络规划设计方面的应用在我国刚刚起步，即使是在国外，也还只 是处于初级阶段，特别是在大型网络和复杂网络的应焉方面，尚存在不少重要的项磊技 术问题需要解决，部分已解决的问题也仍需进一步深入研究和探讨。 2 1 2 仿真平台简介 由于网络的快速发展和普及网络性能方蕊的研究和阙络新技术的开发应用也日益 成为网络通信研究的重要方面。但是，如果在真实的网络环境中进行性能研究、网络设 计和开发不仅耗资大，而且在统计数据的收集和分析上也有定困难。为克服这些缺陷， 专用的网络仿真软件应运焉生。仿真软件的使用大大提高了网络设计的效率，同时也减 少了网络设计开发的费用。 网络仿真软件通过在计算机上建立个虚拟的网络平台，来实现真实网络环境的模 拟，网络技术开发人员在这个平台上不仅能对网络通信、网络设备、协议、以及网络应 用进行设计研究，还能对瞬络的性麓进行分析和评价。另外，仿真软件所提供的仿真运 行和结果分析功能使开发人员能快速、直观的得到网络性能参数，为优化设计或做出决 1 0 北方工业大学硕士学位论文 策提供更便捷、有效的手段。因此运用网络仿真软件对网络协议、算法等进行仿真已 经成为计算机网络通信研究中必不可少的一部分。 o p n 豇 1 3 】是一种优秀的网络仿真和建模的工具，支持面向对象的建模方式，并提供 图形化的编辑界面，更便于用户使用。它强大的功能和全面性几乎可以模拟任何网络设 备、支持各种网络技术，除了能够模拟固定通信模型外，o n 厄t 的无线建模器还可用 于建立分组无线网和卫星通信网的模型。同时，o n 姬t 在新网络的设计以及对现有网 络的分析方面都有卓越表现。它为通信协议和路由算法的研究提供与真实网络相同的环 境。此外，功能完善的结果分析器为网络性能的分析提供了有效又直观的工具。 o p m 玎的m o l d 钎是专门用于可视化原型设计的软件，它的使用即方便了网络模型 的建立，又减少了编程的工作量。m o l d 叫1 3 】中提供多种编辑器帮助用户完成网络建模 和仿真运行，包括： 网络编辑器( n e t 、 ，o 出e d 的r ) 。网络编辑器用于编辑网络的拓扑结构，它具有图形化 的编辑界面，并且提供由各种通信实体组成的模型库，如h u b 、路由器等。用户可以通 过简单的拖放操作在网络编辑器的工作区中快速、方便的配置起自己的网络拓扑，也可 以对网络中各种设备的属性进行设置。用户还可以建立新的模型或在已有模型的基础上 进行修改。o p n e t 引入了子网的概念，这里的子网被视为一个独立的对象，子网内节 点的数目和子网中的设备可由用户自行设定。同时，o 阶姬t 还支持子网的无限嵌套。 节点编辑器( n o d ee d i t o r ) 。节点编辑器用于定义网络中节点的结构和描述节点中( 软 件或硬件) 模块间的数据流。节点编辑器描述了协议的层次结构，并通过描述功能模块 之间的数据流来实现一个网络器件或系统的体系结构。 进程编辑器( p r o c e s se d i t o r ) 。进程编辑器定义了节点内功能模块中各事件之间的控 制流，使用符合工业标准的状态图描述功能模块内的状态和状态间的控制流。进程模型 在进程编辑器中用p r o t 0c 语言描述，p r o t oc 语言是o p n e t 为协议和算法的开发而设 计的，它基于状态转换图( s t d ) 的组合，是一个类似于内核程序( 1 0 。神经元 ( 3 2 ) 在早柙经兀弪制器甲引入二次型性就指杯，逋辽修改柙经兀弪制器阴刀杖糸毅， 使性能指标趋于最小，从而实现自适应p d 的最优控制。 设二次型性能指标函数为：= 一【y ，( 七+ 1 ) 一y ( 足+ i ) 】2 ( 3 3 ) 使加权系数q ( 幼的修正沿着j 的减小方向，即对q ( 七) 的负梯度方向搜索调整。 q 的调整量为： 啪) 啪“) - 眯) _ 一仉翥 砘撒+ 1 ) 鬻器巩m + 1 ) “七) 笔茅 ( 3 4 ) 式中玩o = 厶只功学习速率。 利用式( 3 1 ) 的定义，将式( 3 2 ) 代入式( 3 4 ) 后得： 缈。( 七) = 刁，玉2 ( 七+ 1 ) p ( 七) 等 哆阶佛聊嘶叫) 】等 她= 删+ d 蚴一猕- 1 ) + 职一2 ) 搿 由于在p d 控制算法中，砂( 七+ 1 ) 加( 七) 通常未知，可以近似用符号函数 s g n 砂( 七+ 1 ) a “( 七) 】取代，其所产生的误差可通过调整学习速率，7r 来修正。 对上述算法进行规范整理，可得学习算法如下： m ) 二m - 1 ) + k 主瓦( 枷胎) f = l 2 0 北方工业大学硕士学位论文 国i ( 忌) = i 等( i - l ，2 ，3 ) h 量 i ”一 州川却触m 倒h s 印( 等) 纵l 即姒m 刖1 麒梆印( 鬻) 州助，挪峨s g l l ( 等) ( 3 5 ) s g 呱x 产r + 1 x o i 1x o 3 3 2 概率丢弃控制算法 设定a m 为信源端的发送速率，p a 为丢弃概率。 图3 3 基】。概率丢弃策略的网络1 i 点闭环控制结构图 设每t 秒进行一次缓冲区占有量检测和调节，则在不同的工作方式下，控制器的输 出和丢弃概率控制的取值情况如下【1 9 】： ( 1 ) 当网络节点刚开始工作，缓冲区的队列远远小于给定的期望队列值时，偏差 p = “譬一“r 较大，p i d 控制器的输出处于限幅状态，即“( 尼) = “m ，丢弃控制概率 “。( 七) ：竺墨型：o ，此时没有分组丢失。 “屑 ( 2 ) 当缓冲区的队列达到并超过期望的队列时，偏差p = “。一“，小于o ，p d 控制器的输出从限幅值上退下来，此时丢弃控制概率o “。：七坠塑 = ( f 一露21 ) 2 定义误差函数为： zx = - 我们利用梯度下降法求权值的变化及误差的反囱传播。 输出层的权值变化 从第i 个输入到第l 【个输出的权值改变有： 峨叫老叫嚣瓮吲矿破脾峨铆埘； 同理可得： 砒一刁蓑一矽嚣瓮吲一2 彬穆氏 隐含层权值变化 峨锄嚣叫嚣警嚣。穆静誓朋钯胡矿峨乃 其中，屯= e 。厂1 。，p ；一丸w 2 簸； 解释 3 4 。 = 艺方工韭大学硕七学位论文 输出层误差勺( 歹= l 一葶2 ) 隐含层误差巳( f = 1 一以2 ) 这里，可以认为鬈是由g 助权组含形成的，由于作用函数的存在，勺褥等效作用为 6 菲2e j q ， ( 3 ) b p 网络的设计问题 鼹绔盼层数 理论上已经证明：具有偏差和至少一个s 型隐含层加上一个线形输入层的网络能够 逼近任何有理数函数。增加层数可以进一步降低误差，提高精度，但当同时也使圈络复 杂。作者考虑到学校局域网的网络阻塞问题的复杂性。相对小所以才有能了两层的网 络。 隐含层神经元数 阏络谢练精度的提高，可以通过增热一个隐含层，丽增加其神经元数盼方法获得， 这在结构实现上，要比增加更多的隐含层要简单得多。考虑到编写算法的复杂，作者采 照了较简单的3 个神经元。 初始权值的选取 一般驭初始值在( 1 ，1 ) 之闲的随机数，作者选取的是o 。 学习速率 学习速率决定每一次循环训练中所产生的权值变化量。大的学习速率导致系统的不 稳定，但小的学习速率导致较长的学习时间，可能收敛很慢。所以在一般情况下倾向于 选取较小的学习速率i 以保证系统的稳定。学习_ 速率的选取范圈是0 o l 8 。 作者的b p 网络模块选取的学习速率是0 5 。 斑e 蠢n eb pi 墨a r n i n g ( 髓o a t x 晓5 ) 学习系数 d a s sc b p n 或 p 曲l i c ： c b p n e t o ； _ 3 5 _ 麓方t 监大学硕士学位论文 b p n e 婚 ； n o a t 州n o 鸲n 0 鸲n o a t ) ； 蘸o a tr 潮蠡咄蠡。哟； p 秭v a t e ： 。 翁。痰玎懈e i 曲域3 】f 3 】；3 个神经元 拍a ts i g i d ( 丑。的； s 形豳数 ) ； 5 蹦雒a 萨这个类对象是用来管理以上所有的类对象。它是这个直接网络 仿真软件的主要框架，它是应用程序与网络仿真接口交互的唯一通道，是这个网络仿真 软件的内核执行者。 首先我们来看看这个类与以上4 个类的关系 d 8 s s 铂她蹦娥泻露：p 曲l i e 锄粼c o 嫩o l ， p 曲l i cn e t c o n 的l ， 幽l i ep 髓吱q 瞄瞄， p u b l i c 触9 0 删胁( 觚l 娜b l i c ：缸“t i a l ( c w n d 幸p p a r e n 纠虮l l ，b o o lb r o c e i v 聊a l s e ) ； ； 大家是一目了然，这个类是以上4 个工作模块类的派生，这样它可以直接访问以上 4 个类的保护成员交量和保护成员丞数，4 个工作模块类就是它的部份，也可以壹接 控制4 个工作模块类。 其次来讨论一下这个类的一个鸯西特有的核心功能，这个功畿可以比喻成整个直接 仿真软件的心脏，它就是多媒体定时器。整个仿真软件控制发送速度，都是通过定时器 函数调用实现，q 测翔嚣( ) 是大家熟悉的定时器函数，出予这个函数的定时误差缀 大，主要是由于这个定时器函数是应用在进程空间的，所以受到操作对进程调用的影 响。面多媒体定时器，工作在系统层霹以达到微秒级别的误差。硅l 于作者的仿真软件对 定时的要求高，所以采用多媒体定时器。 3 6 北方王监大学硕士学位论文 多媒体定时器每0 1 s 回调一次，c 枷譬o l m a | l 赠e r 就会通过n e 妃雠的l 发送一组包。 因为多媒体定时器囤调频率可以l 1 0 分频，同时n e c c o n 白瑚的组发送包支持到 ； 创建蓝色实线画笔 5 0 - c p e n 酬p ss o l d ，1 ，r g b 0 ，0 ，2 5 5 ) ) ； d c s c l c c t o 叻酬啪1 ) ； 图灰色背景 c b r u s h 删i 沁取0 ，0 ，o ) ) ； d c f i l l r e c t ( & r c ，& b m s h ) ； 画曲线 d c m o v e t o ( 0 ，mp c b u 丘o 】) ； 似戤i = 1 ；i d a t ai 删g ，r h ；i 抖) d c ij n e t 嘶，1 1 1p c h & 斌m i 】) ； d c m o v e l u o i i lp c l b 硼0 】) ； r 瓜硫i - l ；i d a l 认l e n g t h ；i + + ) d c l i n e l 顶i i np q b u 仃砒i 】) ； c w n d ：o 】 1 p a i l l t o ； d e c i 。a r em e s s a g e t a p o ； 皿v a t c ：u 1 1 s i 鳃e ds h o n 木m g m p h b u 仃碗 删鲈c ds h o f t 奉i n f u r b u 眠 c r l c a l - s e c t i o nm _ 夕c r i t i c 吐e o o t i o n ； c s t r i n gm j i t i e ； c l a s sp a f l e l c o n d l p u b l i c ：谳c 础s 锄d p 锄d u p ( c w n d 木p p 删； i n tc 似l t e r e c e i v e p a n e l g m u p ( c w n d 木p p 嬲l t ) ； p r o t 删： c k a p i l p a n e l 幸p s e n d s p e e | d g 阳：p h p a n e l ； g r a p l l p a n d 幸p r c s 嘶d s p 。础3 哪h p a n e l ； g i a p h p a i l e l 木p r e c e i v e s p e 。d q 印h p a n e l ； g i 即h p a n e i 毒p q u e u 姗i l p 锄e l ； s 饿p a n d 木p i i l f o s t a t e p a i l e l ； - 5 1 - j 艺方工监大学颈七学位论文 撬卿a c c 存i n d u d e 却f a g m a 舢e n t ( 1 i b ，什删舣矗0 2 1 i b 稃d e 6 1 1 e 【a xu s e r1 0 数l 妣p a c 跚i e 硎1 1 5 2 黼e 盘糙m s gp a c k e t 吲g 豫 冉【d e f m ep o r tm 瓜l b e r5o i 。o t y p e d e f v o i d ( 乖r e c e f l l l l c ) ( v o i 扩v n 洲0 0 r l 伽0 1 ) ； 波q 瘫b c a