（控制理论与控制工程专业论文）高速通信网络拥塞控制算法研究.pdf

摘要 摘要 随着互联网技术的飞速发展和用户对服务质量需求的提高，“拥塞”成为通信 网络发展的“瓶颈问题”。高速通信网络拥塞控制是通信界与控制界的前沿热点领 域。本文侧重研究a t m 网络和高速t c p 网络拥塞控制算法的设计和稳定性分析。 本文首先针对a t m 网络a b r 业务流量管理问题，基于随动控制结构，考虑时 延对系统的影响，提出了一种基于离散模型的改进的a b r 流量控制算法，给出了 保证时滞系统闭环稳定的参数选择方法，实现了拥塞避免和可用带宽的动态公平分 配，改进了现有算法的结果。 为提高系统响应速度，简化算法，本文提出了一种快速队列跟踪控制器。所设 计的控制器包含两部分：跟踪控制器和前馈控制器，分别实现了对给定期望队列长 度的静态无差跟踪和对可用带宽干扰的有效抑制。通过严格的理论推导，得到了保 证系统控制器和闭环系统稳定的参数范围，同时获得了在高突发性v b r 业务背景 下不同链接的m a x - m i n 动态公平性。该算法实现简单，所需参数少，可适应较大范 围变化的回路时延。 文章的第三部分充分考虑广域网大传输时延和高带宽时延积特征，以缓冲区内 队列长度为q o s 衡量尺度，将a b r 可用带宽视为系统的未知有界扰动信息，设计 双s m i t h 预估器，从时域和频域两个角度出发分别分析了系统的稳定性。同时为抑 制模型失配信息和控制器输入饱和问题，分别设计了反馈滤波器和辅助控制器。该 方案可在较大回路时延和时延抖动环境下稳定运行，由可用带宽波动引起的响应可 被完全抑制，且不需要测量可用带宽信息。 文章接下来针对基于模型拥塞算法中对网络模型理想化、线性化等不足，基于 e r 反馈控制机制，设计了f u z z y - p i d 型e r 控制器。不需对通信网络系统精确建模， 根据网络动态特性，充分考虑饱和非线性因素的影响，通过合理选择控制参数，制 定了具有较强适应性的控制规则，分别优化p i d 参数，该方案结合传统p i d 和f u z z y 推理的优点，结构简单，易于实现。针对多种网络环境进行了仿真验证，分析了可 用带宽、回路时延、比例因子等因素对系统性能的影响。仿真结果表明该设计方案 具有较好的适应性和鲁棒性。 本文的最后一部分研究h s t c p 主动队列管理算法的设计。首先分析了h s t c p 燕山大学工学博士学位论文 网络环境的特点和动态窗口调整策略与传统t c p 的区别。利用局部线性化的方法将 h s t c p 非线性模型简化为二阶线性时滞系统。在此基础上，设计了通用p i 控制器， 称为s p i ，解析证明了系统的稳定性，给出了自适应选择控制参数的方法。该方法 同时适用标准t c p 和h s t c p 。运用n s 2 进行扩展的仿真研究，并与去尾算法的性 能进行了比较。仿真结果证实了s p i 控制器在两种异构流下的有效性，且具有较高 的吞吐量性能，并在异构环境下具良好的公平性和友好性。 关键词通信网络；异步传输模式；高速传输控制协议；拥塞控制；时滞系统；主 动队列管理；反馈控制 a b s t r a e t a b s t r a c t 鼢t h e r a p i dd e v e l o p m e n to f h a t e r n e ta n dt h ei m p r o v e m e n to fd i f f e r e n tu s e r sf o r q u a l i t yo fs e r v i c eo fn e t w o r k s ，c o n g e s t i o nh a sb e e nt h e b o t t l e n e c kp r o b l e m o ft h e d e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s c o n g e s t i o nc o n t r o lf o rh i g h - s p e e d c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sh a sb e c o m et h em o s ti n t e r e s t i n gt o p i cb o t hi nc o m m u n i c a t i o n a n dc o n t r o ls o c i e t y t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ea l g o r r h md e s i g no fc o n g e s t i o n c o n t r o la n di t ss t a b i l i t ya n a l y s i sf o ra t ma n dt c pn e t w o r k s t h ep r o b l e mo ft r a f f i cm a n a g e m e n to fa b rs e r v i c ei nt h ea t mn e t w o r k si s c o n s i d e r e df i r s t l y a ni m p r o v e dc o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do nd i s c r e t em o d e l , w h i c hi sb a s e do n t h es t r u c t u r eo f f o l l o w - u pc o n t r o ls y s t e m s t h ee f f e c to f t i m ed e l a yi s c o n s i d e r e di nt h es y s t e ma n dt h em e t h o do f p a r a m e t e r ss e t t i n gi sg i v e nf u r t h e r , w h i c hc a l l g u a r a n t e et h es t a b i l i t yo ft h ec l o s e d l o o ps y s t e m t h i ss e b e m er e a l i z e st h ec o n g e s t i o n a v o i d a n c ea n dt h ef a i ra h o c m i o no f a v a i l a b l eb a n d w i d t hi nt h ed y n a m i ce n v k o n m e n ta n d i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f t h ee x i s t i n ga l g o r i t h m t oi m p r o v es y s t e mr e s p o n s ea n ds i m p l i f ya l g o r i t h m , af a s tq u e u e - t r a c i n gc o n t r o l l e r i sp r e s e n t e di nt h ep a p e r i tc o n s i s t so ft w op a r t s ：t r a c i n gc o n t r o l l e ra n df e e d - f o r w a r d c o n t r o l l e rt h a tc a nr e a l i z et h et r a c i n gt h ed e s i r e dq u e u el e n g t hw i t h1 1 0e l r o ra n de f f e c t i v e r e s t r a i n tf o rd i s t u r b a n c er e s p e c t i v e l y t h r o u g ht h et h e o r e t i ca n a l y s i s , t h ep a r a m e t e r r e g i o ni sg o tw h i c hc a ng u a r a n t e eb o t ht h ec o n t r o l l e ra n dc l o s e - l o o ps y s t e m a n dt h e d y n a m i cm a x - m i nf a i r n e s sf o rd i f f e r e n tc o n n e c t i o n su n d e rt h eb u r s t yv b rb a c k g r o u n d t r a f f i ci sr e a l i z e d t h ea l g o r i t h mn e e d sl e s sc o n t r o lp a r a m e t e r sa n ds u i t sf o rt h ec o n d i t i o n w i t hl a r g ev a r i a t i o no f r o u n dt r i pt i m e t h ec h a r a c t e r i s t i co f l a r g ep r o p a g a t i o nt i m ed e l a ya n dh i g hb a n d w i d t hd e l a yp r o d u c t i nw i d ea r e an e t w o r k si sc o n s i d e r e di nt h et h i r dp a r to ft h ep a p e r t h eq u e u el e n g t hi s r e g a r d e da sas c a l et oe v a l u a t et h eq o s a n dt h ea v a i l a b l eb a n d w i d t hf o ra b r t r a f f i ci s r e g a r d e da su n k n o w nb u tb o u n d e dd i s t u r b a n c e t h ed u a ls m i t hp r e d i c t o ri sd e s i g n e d t h es t a b i l i t yo fs y s t e mi sp r o v e df r o mt h ev i e wb o t ho ft i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n t o r e d u c et h ee f f e c to fm i s m a t c ho fm o d e la n ds a t u r a t i o no fc o n t r o l l e r , t h ef e e d b a c kf i l t e r a n da s s i s t a n tc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e df u r t h e r t h es c h e m ec a no p e r a t eu n d e rt h e 1 1 1 燕山大学工学博士学位论文 e n v i r o n m e n t so fl a r g e rr o u n dt r i pt i m ea n dv a r i a t i o no f t i m ed e l a y 1 1 l er e s p o 璐ec a u s e d b yt h eo s c i l l a t i o no fa v a i l a b l eb a n d w i d t hi sr e s t r a i n e df 硼ym o r e o v e r , t h eb a n d w i d t h i n f o r m a t i o ni sn o tn e c e s s a r y n e x t ，t oo v e r c o m et h el i m i t a t i o ni nt h en e t w o r k sm o d e l i n go f t h ec o n g e s t i o nc o n t r o l , t h ef u z z yp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do nt h ee rf e e d b a c km e c h a n i s m i tn e e dn o t m o d e lt h en e t w o r k s a c c o r d i n gt ot h en e t w o r kd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dc o n s i d e r i n gt h e n o n l i n e a rf a c t o r si nt h es y s t e m , t h ec o n t r o lr u l e sa r em a d ea n dt h ep i dp a r a m e t e r sa r e g a i n e dt h r o u g ho p t i m i z a t i o n 1 1 玲s c h e m ec o m b i n e st h em e r i t so f t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l a n df u z z yi n f e r e n c e s i m u l a t i o n sa r em a d eu n d e rv a r i o u sn e t w o r ke n v i r o m e m sa n d s y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d n r e s u l t ss h o wt h eb e t t e ra d a p t a t i o na n dr o b u s t n e s s f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o ns t u d st h ea c t i v eq u e u em a n a g e m e n ta l g o r i t h mf o rh s t c e t l 地c h a r a c t e r i s t i co fh s t c pn e t w o r ka n dd i f f e r e n c eo fd y n a m i cw i n d o wa d j u s t m e m b e t w e e nh i g hs p e e dt c pa n dt r a d i t i o n a lt c pa r ea n a l y z e df i r s t at w o - o r d e rl i n e a r t i m e - d e l a ym o d e lf o rh s t c p i sg a i n e dt h r o u g hl o c a ll i n e a r i z a t i o n t h e n , p ic o n t r o l l e ri s d e s i g n e da n di t ss t a b i l i t ya m l y s i si sg i v e na n a l y t i c a l l y t h ep r o p o s e da k o r i t h mi ss u i tf o r b o t hs t a n d a r dt c pa n dh s t c pa n di ti sn a m e ds p l ( s c a l a b l ep r o p o r t i o n a li n t e g r a l ) t h e m e t h o do fc h o i c eo fa d a p t i v ec o n t r o lp a r a m e t e r si sg i v e nf u r t h e r n l es i m u l a t i o n sa r e m a d eu s i n gn s 2s i m u l a t o ra n dt h ed e t a i l e dp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nw i t hd r o p - t a i l a l g o r i t h mi sg i v e n n 伦r e s u l t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so fs p ic o n t r o l l e ru n d e rt w o h e t e r o g e n e o u st y p e so ff l o w s n 砖s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m h a sh i g h t h r o u g h p u t a n db e t t e rf a i r n e s sa n df r i e n d l i n e s su n d e rh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k e n v i r o n m e n t s k e y w o r d sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ；a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ；h i g h - s p e e dt r a n s f e r c o n t r o lp r o t o c o l ；c o n g e s t i o nc o n t r o l ；t i m ed e l a ys y s t e m ；a c t i v eq u e u e m a n a g e m e m ；f e e d b a c kc o n t r o l i v 燕山大学博士学位论文原创- | 生声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文高速通信网络拥塞控制算法研 究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读博士学位期间独立进行研究工作所 取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者躲；雠嗍加c 年日 燕山大学博士学位论文使用授权书 高速通信网络拥塞控制算法研究系本人在燕山大学攻读博士学位期间在 导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的 研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学 位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许 论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 芡引 1 日期：加年f 月1 日 日期：加6 年加月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1网络拥塞控制研究的意义 i n t e r n e t 多媒体业务的指数级、爆炸性的增长和用户对高质量、多样化服务的需 求使得“拥塞 ( c o n g e s t i o n ) 成为通信网络发展的“瓶颈”问题。拥塞控制是确保i n t e r n e t 鲁棒性的关键，也是各种网络资源管理和控制机制的基础，因此它成为当前国内外 计算机网络和控制理论交叉领域研究的一个热点课题。 随着网络结构、环境、用户需求日益多样化、复杂化，各种各样网络技术应运 而生。不同的网络协议下，业务类型及其质量需求要加以区分，按照服务规则，尽 可能满足更多的用户要求，提高服务质量，提高资源利用率。目前，互联网采用的 是基于虚连接的端到端数据包交换，提供“尽力而为”( b e s te f f o r t ) n 艮务模型的设计 机制。这种机制的最大优势是设计简单，可扩展性强。典型的两种网络技术是异步 传输模式( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 和t c p i p 协议下的i n t e r n c t 技术。 a t m 网络中，根据a t m 论坛制定的业务管理规范，a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e ) 业 务被定义成一种尽力而为的业务，且为唯一可以采用反馈机制，实现闭环控制的业 务类型。但是目前的基于反馈的闭环拥塞控制算法大都是根据经验和仿真来改进算 法。这些启发式控制算法往往是直观的，缺乏有效的理论指导。由于没有系统地利 用控制理论方法，使得控制算法很难保证网络系统的稳定性。更为重要的是，这些 直观的控制算法难以很好地跟踪网络流量动态行为，而导致实现这些算法的一些标 准化参数( 如队列长度闽值、速率提升因子、速率下降因子、q o s 参数等) 无法恰当 的给出动态值，即用简单的系统参数很难描述网络的复杂行为【。面对日益拓宽的 网络应用范围，针对复杂的网络环境和a t m 网络中各种控制机制的强耦合，急需 发展反馈控制理论，建立拥塞控制机制和刻划网络数据流的内在特性。建立一套有 效的分析理论来弥补目前单纯根据经验来改进算法的不足。 同样，传输控制协议( t c p ：t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o d 的目的也是为了解决 i n t e m e t 的稳定性、拥塞控制、各流之间享用带宽的公平性和使用效率等问题，从而 为i n t e r n e t 提供可靠、健壮的端到端通讯。t c p i p 体系结构和协议规范自7 0 年代中 期美国国防部高级研究计划局推出以来已经过3 0 年的发展。从互联网诞生之曰起， 人们对如何提高网络性能，防止拥塞现象发生等问题的思考从未停止过。对于拥塞 燕山大学t 学博士学位论文 控制的研究大致经历了两个阶段，一是在包层次上的源端算法，提出了基于包丢失 响应的a c k 反馈机制，建立了“端到端”( e n d t o e n d ) 的拥塞控制框架；二是在流 量层次上对t c p 的动态行为分析的基础上，引入e c n ( e x p l i e i tc o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ) 机制【2 捌，发展成主动队列管理( a q m ：m i 、，eq u e u em a n a g e m e n t ) 算法【4 】。 特别是主动队列管理中引入了镇定控制器设计思想，在通信网络和控制理论的两个 前沿研究领域形成了一个交叉边缘学科。但因特网的发展方向表明下一代因特网由 于具有高带宽时延积特性，给现有的研究提出了新的挑战。主要表现在，第一，现 有的t c p a q m 协议框架在包层次上的算法性能降低。由于高的带宽时延积会带来 非常大的t c p 拥塞窗口( 数量级为1 0 4 1 0 5 ) ，而现有的t c p 拥塞控制机制主要采用 慢启动机制和a i m d ( a d d i t i v ei n c r e a s em u l t i p l ed e c r e a s e ) 形式的拥塞避免机制，如此 大的拥塞窗口必然会导致“过缓”或“过激”的效应；第二，在流量层次上现有的 算法的鲁棒性和稳定性难以保证。传统t c p a q m 算法无法直接平移，基于“流体 模型”的控制算法有待于进一步的改进、完善，以适应高速网络环境下性能的要求。 无论是a t m 网络，还是t c p i p 网络，亦或是高速t c p 网络，借助控制理论 思想，解决通信网络拥塞控制，改善算法性能，建立基于反馈思想的系统分析框架， 这对于通信界、控制界都是一个新的挑战。此外，流量管理规则、业务传输控制协 议又是计算机网络操作系统和路由器的底层核心技术，因此对通信网络的拥塞控制 问题的深入研究不仅具有重要的学术意义，亦有广阔的应用背景。 1 2a t m 网络拥塞控制算法 1 2 1 二进制反馈方案 在二进制反馈方案中，在数据信元的头中设置一个e f c i 位，而交换机主要完成 两个功能，一是检测拥塞状态，二是为源端提供二进制反馈信息。它作为端到端速 率控制方案的一部分，是基于d e c b i t 方案的【5 】，在这种机制下，所有链接共享一个 f i f o 缓冲区。设置一个队列门限值，当队列长度高于该门限值时，所有经由该队列 的信元e f c i 位均置位，当队列长度回落至门限值以下，则不置位e f c i 位。在其改进 的方案中，设置两个门限值，上限7 k 和下限7 0 ，当队列长度增长超过下限7 而 达到上限瓦。时，则宣布进入拥塞状态，将此后经过该队列信元的e f c i 位置位，直 到队列长度降至正。以下，解除拥塞状态。 根据拥塞信息的传递过程，又有两种通知模式，前向显式拥塞通知( f e c n ： 2 第1 章绪论 f o r w a r de x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t m c a t i o n ) 和反向显式拥塞通知( b e c n ：b a c k w a r d e x p l i c i t c o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ) 模式。f e c n 方式中，反馈机制利用由信元头部p 1 r i 域携带的e f c i 在前向通路中传递拥塞信息。当一个交换机发生拥塞时，各经过此 交换机的v c 上的所有前向传输的数据信元的位e f c i 被置位( e f c i = i ) ，终端在接 收到被标记的信元后，就返回一个拥塞指示信元给拥塞v c 的源端，该信源按此信 息相应地增加或减少信元的发送速率。b e c n 的机制与f e c n 类似，但在拥塞发生 时，拥塞交换机直接将该v c 拥塞的消息通过r m - c e l l 反向告知源端，而不再进行 前向的消息传递。 对于e f c i 交换机制中【6 】，当数据信元经过网络中的e f c i 交换机时，如该交换 机处于拥塞状态，则该数据信元的e f c i 位被置位1 ，终端检查到达的数据信元的 e f c i 位的情况，如发生了拥塞则设置随后到达的r m ( r e s o u r c em a n a g e m e m ) 信元的 c i ( c o n g e s t i o n i n d i c a t i o n ) 位。源端收到r m 信元后检查其c i 域的状态，如网络中有 拥塞发生则按下式降低其信元发送速率： a c r = m x ( a c r - r d f a c r ，m c r ) 式中r d f ( r a t ed e c r e a s ef a c t 0 0 表示速率降低因子，m c r ( m i n i m u mc e l lr a t e ) 为最小 信元发送速率，m c r 的值在连接建立时商定。如网络中无拥塞发生则增加其信元 发送速率 a c r = m i n ( a c r + r i f x p c r ，p c r ) r i f ( r a t ei i l c f e a s ef a c t o r ) 为速率增加因子，p c r ( p e a kc e l lr a t e ) 为信元的峰值速率， 也是在链接建立时商定的。 在二进制反馈方案中，所有链接共享一个f i f o ( f i r s t i nf i r s t o u t ) 缓冲队列，由 于拓扑结构和源端终端采用的调整策略的不同，可能会带来不公平现象。如在相同 的拥塞程度下，经由多个节点的链接，其e f c i 位被置位的概率显然要高于经由较 少节点的链接。因此这些链接将具有较少的增加发送速率的机会，从而导致其吞吐 量的下降，这种现象称为“b e a td o w n ”问题。对于由共享一个f i f o 队列带来的潜 在的不公平性问题，可通过一些改进方案来缓解。最简单的方法是为每一条链接或 几条( 一组) 链接分别设置f i f o 缓冲队列，这样可保证不同链接间的公平性；另外一 个方案是选择性反馈，在这种机制下，交换机需首先计算一个公平速率，当拥塞发 生时，仅将当前发送速率高于公平速率的那些信元的e f c i 位置位，以缩小不同链 接间对带宽资源占用的差距。 燕山大学工学博士学位论文 1 2 2 启发式显式速率反馈方案 基于显式速率( e r ：e x p l i c i tr a t e ) 反馈机制的拥塞控制方案中，交换机通常要完 成以下三个功能。 ( 1 ) 计算链路为每一条链接所能提供的公平带宽； ( 2 ) 确定当前负载情况( 如检测队列长度或队列增量) ； ( 3 ) 确定显式速率值( e r ) ，将其返回至源端。 已有的启发式的方案主要有以下几种。 1 2 2 1 e p r c a ( e n h a n e e dp r o p o r t i o n a l r a t ec o n t r o la l g o r i t h m ) t 7 , s 】此算法由 c o n n e c t w a r e 公司的l r o b e r t s 提出。e p r c a 算法的特点是操作复杂度低，与e f c i 交换机兼容。该方案被认为是一种改进的比例速率控带i j ( p r c ：p r o p o r t i o n a lr a t e c o n t r 0 1 ) 算法。源端发送r m 信元和数据信元，初始速率设定为当前允许信元速率 ( a c r ：a l l o w e dc e l lr a t e ) ，拥塞指示位( c i ：c o n g e s t i o ni n d i c a t i o n ) 置0 。源端速率的 调整按照反馈r m 信元中e r 指示信息调整。交换机负责计算e r 值。交换机首先 按加权平均方式计算所有链接的平均允许速率( m a c r ) ，即 m a c r = ( 1 一a ) m a c r + a c c r a 通常选为1 1 6 。显然m a c r 所占比重要强于c c r 。交换机需要检测网络负载情 况，跟踪测量队列长度。当r m 信元由终端返回后，若网络处于拥塞状态，交换机 将减小r m 信元e r 域值至公平速率，而此时公平速率按m a c r 的7 8 计算。若原 e r 值低于公平速率，则e r 值不做调整，否则将其调整至公平速率值，即 e r = 7 8 m a c r 1 2 2 2 c a s ( c o n g e s t i o na v o i d a n c es c h e m e ) t 9 在该方案中，队列变化率被视为负 载因子，负载因子定义为 腰 ：= 一 豫 其中，皿为输入速率( i n p u tr a t e ) ，可通过固定时间区间内的统计测量获得，刀为 目标速率( t a r g e tr a t e ) ，它的选取通常要略低于链路带宽，如选为链路带宽的8 5 9 0 。基于负载因子的概念再计算公平带宽和显式速率。 1 2 2 3 e r i c a ( e x p l i c i tr a t ei n d i c a t i o nf o rc o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 0 0 , t l 】e r i c a 算法 子1 9 9 5 年提出。在e r i c a 的设计过程中，设计目的就是最大化链路利用率，最小 化排队时延，获得资源分配的公平性，尽量缩减动态过程( s 0 要求系统响应的快速 4 第1 章绪论 性) 。e r i c a 算法运行于交换机的每条链路的出口队列处。它要求交换机在固定的 时间间隔内测出负载情况及相关参数。这个固定的时间间隔称为“测量区间”，在 每个测量区间内，交换机需要根据每条链路的负载状况确定出a b r 链路容量 ( a b r c a p a c i t y ) ，v c s 个数( ) ，显式速率值( e r ) 。 定义负载因子z ：= 瓦磊l n 面p u t 丽r a t e ( 1 - 1 )t a r g e t a b r c 印a c 渺 其中t a r g e t a b r c a p a d t y = f r a c t i o r t a v a i l a b l e b a n d w i d t h ： l n p u t r a t e 为在该测量区间内a b r 业务流量的达到速率： a v a i l a b l e b a n d w i d t h 为链路满足高服务等级业务传输之后的剩余带宽。 可采用下列机制获取相关参数。 i n p u t r a t e = 二c c r ， 而可用带宽a v a i l a b l e b a n d w i d t h 通过预测的方法得到，f r a c t i o n 为目标利用率，典型 的取值为o 9 - 4 ) 9 5 。 为了快速达到对可用资源的完全利用，定义变量v c s h a r e 。 m g 妨伽：c c r , ( 1 - 2 ) z 显然，如果每条连接都按照式( 1 2 ) 调整传输速率，负载因子将等于1 。但是v c s h a r e ， 并没有考虑各个连接之间的公平性。由于不同连接的c c r 值不同，原有发送速率高 的源端将分得更多的带宽资源。为了实现公平性，定义了变量f a i r s h a r e 。 f a i r s h a r e = t a r g e t a b 矿r c a p a c i t y ( 1 - 3 ) 该变量就规定了该虚连接所能传输的最小值。结合式( 1 2 ) 、式( 1 3 ) ，在b r m 中e r 计算值该按下式计算 e r j c a l c u l a t e d = m a x ( v c s h a r e ，f a i r s h a r e )( 1 4 ) 但是它又不能大于a b r 所能使用的带宽，即 e r ，c a l c u l a t e d a b r c a p a c i t y 燕山大学t 学博七学位论文 所以 e l c a l c u l a t e d = - m 础眦舭d ，a b r c a p a c i o ) ( 1 - 5 ) e r ，c 4 缸“娩d 代表了该交换节点所能支持的最大速率。但是如果所考虑的连接瓶颈 于其它链路，其e r 值则不能按照非瓶颈节点计算值来更新，对最终的e r 更新规则 为下式( 1 6 ) e r ，= n c m ( e g ，i n r m c e l l ，e r ，c a l c u l a t e d )( 1 - 6 ) 在每一个测量区间，交换机需要监视网络负载情况，按照式( 1 1 ) 1 - 6 ) 来计算 相关参数，更新e r 值。 1 2 2 4c a p c ( c o n g e s t i o na v o i d a n c eu s i n gp r o p o r t i o n a lc o n t r 0 1 ) 【1 2 】与前述方案相 似，在c a p c 中同样需要设置略低于1 的目标利用率和设置负载因子。公平速率的 确定要依赖于负载因子z 1 ，还是z 1 。在欠载期间，公平速率按下式计算 f a i r s h a i r = f a i r s h a i rxm i n ( e r u ，1 + ( 1 一z ) xr u p ) ( 1 - 7 ) 其中r u p 为提升因子，介于o 0 2 5 0 1 之间，e r u 决定了公平速率所允许的最大增 加量。 当过载期间，公平速率按下式调整 f a i r s h a i r = f a i r s h a i r x m a x ( e r f ，1 + 1 一z 一1 ) r d n ) ( 1 8 ) 其中r d n 介于0 2 0 8 之间，e r f 为下降因子，设为0 5 ，它决定了公平速率所允 许的最大减少量。 1 2 2 5 b d e a ( b a n d w i d t he s t i m a t ea l g o r i t h m ) t 1 3 1 在该方案中，平均允许信元速率 m a c r 的计算是根据读取到的每条链接前向r l v l 信元内的a c r 值，并作加权处理 得到的，m a c r 按下式计算 m a c r = m a c r + ( 4 c r m a c r ) x 彳p f ( 1 9 ) 通常a v f 选为1 1 6 。若负载因子z 1 ，剩余带宽按下式重新分配 m a c r = m a c r + m a r ( 1 - 1 0 ) 其中，m a i r 为m a c r 的加式增长速率，如取为0 5 m b p s ，若交换机检测到拥塞状 态，则e r 值更新为 e r = m a c r + m r f f 1 - 1 1 ) m r f 为平均速率下降因子，如取为o 9 5 。否则e r = m a c r 。 6 第1 章绪论 1 2 3 基于控制理论显式速率反馈方案 1 2 3 1s m i t hs m i t h 预估方法可以将时滞提取至闭环传递函数之外，保证系统闭 环稳定而不受时滞因素的影响 1 4 - 1 6 】，文【14 】将前向传输延迟和反向传输延迟合并为 一个滞后时间，用回路延迟时间但z 刀来代替，因此将网络节点建立成一个滞后环节 和积分环节的组合。根据s m i t h 原则，设计控制器在控制环内包含原闭环时滞环节， 在整体效果上等同于抵消时滞环节。按照此原则设计得到控制器 g o ( 力2 百丽翮( 1 - 1 2 ) 速率调节器控制律为 “o ) = j i 1 - q o - - f b ) 一j ：t - r h t ( r 坊) ( 1 - 1 3 ) 其中五丁丁= 。r b + r f 为回路延迟，g ( f ) 为缓冲区队列长度。利用s m i t h 预估理论设计 的控制器可以实现瓶颈节点队列的稳定控制，若在带宽波动的情况下，队列仍能稳 定于给定值，表明可用带宽完全利用，同时没有拥塞发生。该算法针对给定的回路 延迟r 7 7 可以实现暂态和稳态的队列误差控制。但同时对可用带宽波动的形式和时 延条件都做了较为苛刻的假设。 1 2 3 2p i d 控制p i d 控制由于其简单性，在网络控制中也得到了应用。 ( 1 ) p 调节器( 比例调节器) 【1 刀该调节器运行于瓶颈交换机，设交换机缓冲区容 量为无穷大，个a b r 流是相同的且信源数设为常数，即将网络进一步简化为： q ( n + 1 ) = m a x q ( n ) + 丁 l ( 咒) 一c 】+ ，k ，0 ) ( 1 1 4 ) 其中为高斯白噪声函数，用其表示流量近似值与实际队列长度的误差。速率调节 器设计为 r a n + 1 ) = c k q ( n + 1 )( 1 - 1 5 ) 式( 1 1 5 ) 右边第二项起到比例调节作用，即k 为比例系数。 文 1 7 】利用n y q u i s t 分析法系统稳定条件。而对于参数足值的选取仍有待讨论： 如k 过大，则使系统鲁棒性交差；如k 过小，则瞬变过程延长。因为受控模型简化 过大，在系统实际运行时存在两个主要困难。其一是为使系统稳定，应使k n 保持 常数。其二对于网络延迟，其鲁棒性较差而且要求交换机具有较大的缓冲空间。为 此，该调节器采用一个附加虚拟队列且用g c ( g 1 ) 代替c 或采用一个滞后补偿器以 改善其鲁棒性，使稳态时队列长度为零，预防拥塞发生。 燕山大学工学博士学位论文 ( 2 ) p d 调节器( 比例微分调节器) i l s 该调节器运行于瓶颈交换机，它将网络中 a b r 流建模为一确定性流体模型，其条件是网络链路速率高，分组尺寸小。对于高 速a t m 网络，这是合理的。它使用交换机缓冲区队列长度作为受控参数和调节器 反馈输入状态变量，也用来反映网络的拥塞状态，其输出变量为信源速率之和。其 速率调节器定义为 r ( n + 1 ) = ，( 疗) 一p ( 拧) 一d ( 珂) ( 1 1 6 ) 式( 1 - 1 6 ) q b l p ( 疗) = a g ( 行一f ) 一q 0 】 ( 1 1 7 ) i = o 其中g 表示事先给定的队列长度值或拥塞发生阈值，该值设计时可根据缓冲区大小 而设置，如为缓冲区尺寸的一半或四分之一等，这也是系统运行时，所希望的缓冲 区队列长度稳定状态值。p ( 胛) 项起到比例p 调节的作用，它决定网络的收敛速度和 鲁棒性。在稳定区域内，此项参数过小，收敛慢：过大，使特征根接近稳定区边界， 导致系统鲁棒性变差。因此实际设计时，应合理选择。d ( n ) 项如式( 1 1 6 ) 上 d ( 聆) = 乏：卢( 竹一，) ( 1 - 1 8 ) j = o ， 文献 1 9 】已证明卢，= o ( 因为此时稳定状态队列长度等于q 0 ) 。d ( ”) 表示微分调节 j 卸 作用，用于预估网络变化趋势。它决定网络瞬时性能，该项参数过大，将引起大的 超调，从而使瞬间队列长度