网络拥塞控制中的AQM算法及其仿真研究-毕业设计的开题报告

南 京 理 工 大 学 毕业设计(论文)开题报告 学学 生生 姓姓 名名：学学 号号： 专专业业 ：自动化 设设计计(论论文文)题题目目：网络拥塞控制中的 AQM 算法及其仿真研究 指指 导导 教教 师师: 年月日 重要提示：1本电子文档标准格式中的各类说明（用蓝色字体表示）仅供参考，在参 阅后请自行删除（包括本提示） ，黑色黑色字体的内容全部保留。 2本文档中日期的填写务必与“毕业设计（论文）任务书”中的工作进度 计划相符。 32000 级保送研究生毕业设计（论文）的起始时间按有关文件规定执行。 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委 员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指 导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签 署意见及所在专业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设 计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印 在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3 “文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印） 在本开题报告第一栏目内， 学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册） ； 4有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 74082005 数据元和交换格式、 信息交换、 日期和时间表示法 规定的要求， 一律用阿拉伯数字书写。 如 “2007 年 3 月 15 日” 或 “2007-03-15” 。 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）开文）开 题题 报报 告告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文文 献献 综综 述述 引言引言 主动队列管理机制(AQM)作为一种重要的网络中间节点拥塞控制方法，可有效克服 传统被动策略下的满队列、死锁和全局同步问题，因而其研究受到广泛关注。本课题主 要针对 AQM 中几种经典的拥塞控制算法进行仿真研究， 在此基础上设计得到基于 PID 控 制的自适应虚拟队列管理（PID-AVQ）算法，并从队列稳定、延时和丢包率等性能指标 对各种 AQM 算法进行仿真对比. AQMAQM 概念及原理概念及原理 AQM(active queue management)即主动队列管理，它的主要思想是在路由器的缓冲 区没有溢出之前，根据网络的拥塞状况，以一定的概率丢弃报文。AQM是作用在网络中 间节点上的拥塞控制策略,保证较高吞吐量的基础上可以有效地控制队列长度,其目标 是使网络运行在高吞吐率低丢失率和低延迟的状态下,从而为要求时延保证的业务提供 一种良好的实现机制.。21 AQMAQM的发展及现状的发展及现状 最早提出AQM算法的是Floyd和Jacobson的随即早期检测(Random Early Detection， 简称RED)算法，该算法的影响至今都相当广泛。RED算法是基于平均队列长度预测可能 到来的网络拥塞，一旦发现拥塞逼近，就采用随机选择的策略对分组进行丢弃或标记， 这样就随机地选择了源端来通知拥塞，使它们在队列溢出之前降低发送数据速率，以缓 解网络拥塞，达到拥塞避免的目的。3 仿真结果显示, RED 的性能优于DropT ail, 但是它存在两个主要缺陷:对参数设 置很敏感, 改变参数对性能影响很大, 且这些参数还没有明确的设定方法; 随着网 络中流（Flow ,指一个T CP连接) 数目的增加, 网关的平均队列长度会逐渐增加。为了 解决这些问题，研究人员提出了许多RED的改进算法，有ARED算法、SRED算法、FRED算 法、BLUE算法、GREEN算法、AVQ算法， ，但这些算法缺乏系统理论设计与分析的工具， 仍然存在参数配置、稳定性等问题,例如AVQ的设计基于“虚队列”(virtual queue)， AVQ的设计有3个特点。首先，在AVQ中，控制目标是链路的到达速率，而不是队列长度。 使用AVQ无法直接控制队列长度。其次，在AVQ的计算中同样使用了积分环节。这使AVQ 同样具有反应速度慢的问题。5674 近年来人们从系统的角度分析传输控制协议( TCP) 拥塞控制模型,利用经典控制理 论中的方法解决如何使用户和网络使用率最大化的问题, 同时提高系统的健壮性和稳 定性。例如基于控制理论中的经典比例积分( PI) 控制的RED 算法;Hollot等人对建立 的控制论模型进行了合理的线性化处理,提出了PI 算法。 这些改进算法提高了系统在不 同网络环境下的适用性, 但是在系统收敛速度和系统稳定性方面还未达到令人满意的 程度,同时AQM 控制器的鲁棒性也较差。为了进一步提高网络拥塞控制性能，针对基于 流体流理论提出的网络流量模型的近似问题，提出了网络流量的精确模型，并且基于该 模型把一类PID设计方法用于主动队列管理(AQM)控制器的设计， 建立了一种新的拥塞控 制算法：PID控制器的AQM算法。相比于PI控制器在参数整定上的试凑方法具有盲目性， 算法的瞬态性能指标也不够理想，PID控制器引入微分环节来增强系统的响应能力，同 时给出了基于稳定裕度的参数整定方法，使得PID控制器的稳定性有了很好的保证。PID 控制器设计的作用在路由器上的队列管理算法与PI控制算法相比， 不仅有效地提升了算 法的瞬态特性,同时也没有降低算法的稳态特性.8910 AQMAQM存在的问题及前景存在的问题及前景 虽然这些基于经典线性控制理论所设计的AQM算法增强了对路由器队列长度的控制 能力，但是也存在着以下的问题： （1）但在网络高速变化的动态环境下(TCP连接数目较多，变化较大，存在UDP流)， 这些算法也很难抵抗负载扰动和噪声的干扰，控制器参数难以整定，顽健性较差，算法 稳定性难以保证。其主要原因在于：这些控制器属于线性控制器，未能抓住网络的非线 性动态本质。613 （2)没有充分考虑被控对象模型的不精确性， 导致所设计的算法不能达到预期的性能 指标.2 (3)对被控对象缺乏深入的分析，导致AQM 控制器不能很好地保证系统的稳态性能 和暂态性能.2 (4)当前的控制模型忽略了网络中多个路由器采用异种AQM 机制时报文标记效果 的相互影响，而这是AQM 获得应用必须要解决的问题。2 AQM尚待解决的问题有： (1)网络流量特性对AQM 性能的影响 (2)大延迟条件下AQM 机制的性能 (2)大延迟条件下AQM 机制的性能 (2)大延迟条件下AQM 机制的性能 基于以上的问题，近年来又提出了新的控制方法来进行AQM算法的设计： （1）利用非线性控制方法中的积分反步法设计了一种AQM算法， 积分反步法是一种 构造非线性动态系统全局稳定算法的有效方法，利用积分反步法设计的AQM算法能使算 法具有较好的顽健性以及稳定性。 接着使用非线性控制方法中的模糊滑模变结构控制方 法进行AQM算法的设计.615 （2）针对Intemet时滞网络系统， 也有人提出了基于模型预测控制的主动队列管理 算法MPAQM。首先考虑时滞系统的因果性来定义预测输出，然后根据拥塞控制的要求描 述优化问题，求得路由器缓冲区的分组丢失率；另外分析给出保证闭环时滞系统稳定的 充分条件，为算法的参数调节提供理论指导，使得队列能快速、稳定地到达期望值。在 单瓶颈和多瓶颈网络拓扑中，仿真分析结果显示MPAQM算法能快速收敛于队列长度的期 望值，具有较小的分组丢失率。112 (3)针对具有非匹配不确定项和输入时滞的TCP 线性化动态系统进行特殊线性变 换,将原不确定时滞系统转化为无时滞系统 在新坐标下,基于滑模控制(SMC) 设计了一 种主动队列管理(AQM) 算法.12 参考文献参考文献 1 杨吉文， 顾诞英， 张卫东.主动队列管理中PID控制器的解析设计方法J.软件学报， 2006,17(9)：1989-1995. 2刘 明，窦文华，张鹤颖.主动队列管理研究综述J.网络与通信，2006,32（24） ： 84-86. 3SFloyd,VJacobson Randomearlydetectiongatewayforcongestion avoidanceIEEEACM Transactions on Network，1 993，1(4)：397-413 4 王秀利 AQM算法在NS2中的实现及其性能评价J.计算机科学， 2009,36(5)： 60-64. 5 杨吉文,顾诞英,张卫东.鲁棒性可调的主动队列管理PI控制器的解析设计J.上海 交通大学学报,2007,4(15):788-796 6 魏涛， 张顺颐.基于非线性控制方法的AQM算法J.通信学报,2009,30(12):58-67. 7 李新国.基于拥塞控制的AOM算法研究J.计算机技术与发展，2007,17（5） ： 199-202. 8 蔡文郁,张昱,金心宇,周绮敏.一种基于PID 控制的自适应随机早期检测算法研究 J.浙江大学学报( 工学版).2006,40(11):1976-1979. 9 陆锦军,王执铨.基于一类新PID的网络拥塞控制算法J.哈尔滨工业大学学报， 2008,40（9） ：1457-1461. 10 任丰原,王福豹,任勇,山秀明.主动队列管理中的PID控制器J电子与信息 学报2003 1，25(1)：94-99 11 王萍,陈虹,卢晓晖.预测控制主动队列管理算法的设计与分析J.通信学报， 2011,32（9） ：68-75 12 王宏伟, 钱晓龙, 井元伟, 刘晓平.不确定时滞TCP/ AQM 系统的滑模控制J.东 北大学学报( 自然科学版),2008,29(2):161-165 13 葛龙,孙金生,王执铨.基于动态输出反馈控制的主动队列管理算法J.电子学 报,2010,38(12):2817-2821 14.Hollot C V.Misra V.Towsley D Analysis and design of controllers for AQM routers spporting TCP flowsJ.2002(6) 15 CHIMAN K Robust backstepping control of nonlinear systems using neural networksJ .2000(06) 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）开文）开 题题 报报 告告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） ： 本论文主要包含以下几方面的研究内容： 1.了解拥塞控制的思想和方法，学习基于丢包率和队延迟的各种算法，并对各种各 法的优缺点进行研究； 2.熟悉网络仿真软件NS-2并能运用该软件进行仿真，接在Intemet上做实验，会因 新的AQM算法涉及到改变路由器而使实验失败。学习AQM算法如何在NS-2中实现，实现原 理、实现步骤及代码结构，研究如何获取AQM算法的评价指标，如平均队列长度、队列 抖动、丢包率、链路利用率等量化指标，并结合队列长度变化曲线对AQM算法性能进行 评价。 3.掌握 AQM 机制中 RED、REM、PI 等算法的设计，对现在拥塞控制机制中最常用， 几种算法掌握算法的思想和设计方法。 4.基于 PID 控制的自适应虚拟队列算法（PID-AVQ）设计与仿真，根据已学习到的控 制算法，设计出性能更加优越的 PID-AVQ 算法，并用 NS-2 软件进行仿真。 5.运用 NS-2 软件进行各算法的仿真实验和性能对比。特别是新设计