（计算机应用技术专业论文）基于smith原则的高速计算机通信网络拥塞控制研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 随着网络业务量的增加，网络的拥塞控制越发成为迫切需要解决的难题。 论文第一部分分析了网络拥塞产生的原因及近年来国内外科研工作者为提高 网络性能、预防网络拥塞所作的努力，总结了目前研究较多的拥塞控制方法， 指出了目前网络拥塞控制领域的研究热点和难点。 论文第二部分归纳总结了在i n t e r n e t 网络中与拥塞现象的发生相关的网 络服务模型。 论文第三部分以传统控制理论和s m i t h 原则为关键工具对高速通信网络 设计了一种改进的基于s m i t h 原则的计算机高速通信网络的拥塞控制方案，且 对控制方案进行了数学分析，并对单链路的网络模型运用s m i t h 拥塞控制方案 进行了研究，比较了两种s m i t h 拥塞控制方案的优劣，通过仿真验证了所提出 的网络拥塞控制方案的有效性。改进的拥塞控制方案保证网络队列的动态稳定 性，提高了网络的传输效率，同时保证网络传输中尽量减少数据丢失，从而有 利于提高网络的性能。 论文第四部分对基于广域网的多链路多节点的网络链路模型运用s m i t h 拥塞控制方案进行了深入地研究，通过仿真试验和模拟得出运用s m i t h 拥塞控 制方案后网络链路的稳定性明显优于未运用s m i t h 拥塞控制方案时的情况，且 网络链路的缓冲队列占有量减少，即网络链路的吞吐率特性较好，从而更加优 化了网络的性能。 关键词：拥塞控制、s m i t h 原则、a t m 、缓冲队列、输入速率、t c p i p a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fn e t w o r kt r a f f i c ，t h ec o n g e s t i o nc o n t r o li st h ec h a l l e n g eo f n e t w o r k t h ef i r s ts e c t i o ni nt h i s p a p e ra n a l y s i s t h ec a u s eo fc o n g e s t i o nb e i n g p r o d u c e d a n ds o m ew o r k sf o r i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e o fn e t w o r ka n d p r e v e n t i n gt h ec o n g e s t i o ni n t h e s ey e a r s ，s u m m a r i z i n gs o m ec o n g e s t i o nc o n t r o l m e t h o d sb e i n g r e s e a r c h e d ，a n a l y z i n gt h eh o t a r e aa n d c h a l l e n g e a tp r e s e n t t h es e c o n ds e c t i o ni nt h i sp a p e rs u m su pt h en e t w o r km o d e lr e l a t i n gt ot h e p h e n o m e n o n o f c o n g e s t i o n i nt h ei n t e r n e t i nt h et h i r ds e c t i o no ft h i sp a p e r ，c l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r ya n ds m i t h sp r i n c i p l e a r ea p p l i e di nd e s i g n i n gac l a s so fe f f e c t i v ea n ds i m p l ec o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e s t b r h i g h - s p e e dc o m p u t e r c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s m a t h e m a t i c a l a n a l y s e s a n d s i m u l a t i o n sv e r i f yt h ee f f i c i e n c yo ft h ec o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e s t h ep r o p o s e d c o n g e s t i o nc o n t r o ll a w sg u a r a n t e ef u l l u t i l i z a t i o no fn e t w o r kl i n k sa n ds t a b i l i t yo f n e t w o r kq u e u e ss ot h a tt h en e t w o r kh a sn od a t al o s si na g e n e r a ln e t w o r kt o p o l o g y a n dt r a f f i cs c e n a r i o t h ea p p r o a c hh a ss o m ea d v a n t a g e so v e rt h eu s u a ls m i t h s p r i n c i p l eb a s e dc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e ；i tc a n b ea p p l i e dt ot h o s en e t w o r k st h a t m a y h a v es m a l l e rb o t t l e n e c kc a p a c i t y t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w g o o dp e r f o r m a n c eo f n e t w o r k si fi m p l e m e n t e db yt h ec o n g e s t i o nc o n t r o l l e r s ， w h i c ha r ed e s i g n e do nt h eb a s i so f t h ei m p r o v e ds m i t h sp r i n c i p l e t h ef o r t hs e c t i o ni st h a tt h e a p p l i c a t i o n o fs m i t hc o n g e s t i o nc o n t r o li s i m p l e m e n t e d i nm u l t i p l el i n k sa n dm u l t i p l en o d e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s t a b i l i t ya n dt h et h r o u g h p u ta r eb e t t e ro nt h eb a s i co f t h es m i t hc o n g e s t i o nc o n t r o l i n m u l t i p l e l i n k sa n d m u l t i p l e n o d e s t h e r e f o r eo n ec a l lc o n c l u d et h a tt h e p e r f o r m a n c e sw i t ht h es m i t hc o n g e s t i o nc o n t r o lb e i n ga p p l i e da r eb e t t e rt h a n t h a t w i t h o u tt h es c h e m eb e i n gi m p l e m e n t e d k e y w o r d s ：c o n g e s t i o nc o n t r o l ，s m i t hp r i n c i p l e ，a t m ，b u f f e rq u e u e ，i n p u tr a t e ， t c p i p 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s c e r t i f i c a t e t h i si st oc e r t i f yt h a tia m r e s p o n s i b l ef o rt h ew o r ks u b m i t t e d i nt h i st h e s i s ，t h a tt h eo r i g i n a lw o r ki sm yo w n e x c e p t sa ss p e c i f i e d i nr e f e r e n c e s 声明 s i g n a t u r e d a t e 本人郑重声明，学位论文中所使用的理论和方法，除注明引用 其余均为本人个人工作成果。 硕士学位论文 m h s t e r st j 邺i s 第一章绪论 近十年来，随着科学技术的迅猛发展，信息在人们的日常生活中占据着 越来越重要的地位。同时计算机技术对科学技术的发展起着至关重要的作用。 尤其是近些年出现的计算机网络技术的飞速发展使得信息的交流、获取变得 方便和快捷，人们可以足不出户通过先进的计算机网络技术方便的获取信息 如：交通信息、天气情况、股市行情、“非典”的最新报道等与人们息息相关 的数据信息。 1 1 网络拥塞的概念 随着所需要的信息量的增大，特别是人们所需的业务量的剧增，导致信 息的载体即计算机网络不能随着信息量的增加而更新设备( 如网络带宽、路 由设备等) 、传输速率等问题，因此时而出现网络的拥塞问题，而且网络的拥 塞问题也越来越严重。这就要求科研工作者积极探索有效的解决拥塞问题的 理论方法来控制网络的拥塞，即出现了所谓的拥塞控制问题。因此拥塞控制 的主要目的一是为了保证网络具有良好的性能( 吞吐量、时延) ：二是为了公 平合理地把网络资源分配给多个用户。尤其要强调的是一个有效的良好的拥 塞控制模式应对突发数据流量的瞬时拥塞能够作出快速的反应，同时保证线 路容量的最大利用率及公平性较低的硬件复杂性。 拥塞控制是保证网络的高效性、快速性、鲁棒性的关键因素，同时又涉 及到网络运行的有效性，因此拥塞控制问题已成为当前i n t e m e t 网络最迫切需 要解决的热点问题和具有挑战性的课题。 1 2 网络拥塞产生的原因 至今为止，已有许多文献阐述了网络产生拥塞的原因，但它们只描述了 拥塞产生原因的某一方面或某两个方面，而文献 1 中详尽地阐述了网络产生 拥塞的根本原因在于用户( 或叫端系统) 提供给网络的负载( 1 0 a d ) 大于网络 l 硕士学位论文 m a s t e r st i e s i s 资源容量和处理能力。网络拥塞表现为数据包的时延增加、丢弃率增大、上 层应用系统性能下降等。图1 显示了拥塞发生的情况。如图1 所示，当网络 随着负载的增加时，若网络没有足够的传输能力或处理能力，则网络有可能 发生严重的拥塞行为；当网络具有足够的存储空间存储源端发送过来的数据 包时，网络会出现比较好的传输，此时网络性能较好，拥塞程度较低。但过 大的存储空间由必然导致传输延迟的增大，当源发送端不能收到目的端反馈 来的a c k 数据包时，源发送端认为数据包丢失或反馈信息包a c k 的丢失，因 此源端重发该数据包，长时间延迟后会导致网络传输速度缓慢等问题。随着 源端的发送，链路缓冲队列逐渐增加，从而可能导致拥塞发生。因而存储空 间和处理能力均是预防网络拥塞必不可少的重要组成部分。 鼎 制 垃 督 槎 图1 随着负载增加时，拥塞发生情况 况 另外，文献 1 还分析了网络拥塞产生的直接原因大致为以下几点： ( 1 ) 设备的存储空间不足。 多个输入数据流共同需要一个输出端口，在这个输出端口建立队y j j h 队。如果输出端口没有足够的存储空间存储数据队列，则数据包就会丢弃， 数据据包又需要重新传送，因此长时间的传送不仅会增加传送的时延，而且 会造成网络的严重拥塞。尤其是对突发的、瘁发的数据流更是如此。增加端 口的存储空间在某种程度上可以减缓数据包的丢弃问题。但路由器和链路队 列也不可能是无限缓冲存储容量，如果路由器有无限存储量时，拥塞会变得 硕士学位论文 m a s t e r st t e s l s 更为严重，不会变好。因为在网络里数据包经过长时间排队完成转发时，它 们早已超时，源端没有收到目的端的确认信息后，认为它们已经在链路中被 丢弃，而这些数据包还会继续向下一路由器转发，从而造成网络资源的严重 浪费，更会加重网络拥塞。 ( 2 ) 带宽容量不足。低速链路对商速数据流的输入也会产生拥塞，根据 香农信息理论，任何信道带宽最大值即信道容量c = b l 0 9 2 ( 1 + s ) ( 其中 为信道白噪声的平均功率，s 为信源的平均功率，b 为信道带宽) 。所有信源 发送的速率月必须小于或等于信道容量c 。如果r c ，则在理论上不可能有 无差错传输，因此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，网络就会发生拥塞现象。 ( 3 ) 处理器处理能力弱、速度慢也可能引起拥塞发生。当路由器的c p u 在运行排队缓存，更新路由表等功能时，处理速度跟不上高速链路。也可能 造成网络拥塞。同理，低速链路对高速c p u 也可能产生拥塞。 为了避免拥塞的发生，以上三点分析的拥塞原因必须综合考虑，而不能 只考虑其中一个或者两个。因此改变上述的三种拥塞的原因都是非常重要的。 一旦拥塞发生往往会是一个不断加重的过程。如果路由器没有空余的缓存， 它就必须丢弃新到来的数据包；当数据包丢弃时，源发送端会认为超时，因 此重传该数据包。由于没有得到确认，源端只能保留数据包，结果缓存会进 一步消耗，加重拥塞。如果路由器没有足够的处理能力也会造成同样的后果。 如只考虑提高链路速率而不改变处理器，则只会转移网络瓶颈，而不能避免 拥塞。所以拥塞有时也是系统各部分互不匹配的结果。 1 3 a t m 技术的应用 前些年，异步传输模式( a t m ) 的应用广泛，因为a t m 能够灵活、安全、 有效地利用资源的，且a t m 采取了固定长度短小分组：面向连接的工作方式； 用户可以共享网络资源。a t m 把传输信息的载体称之为“信元”。a t m 是以 定长的信元( c e l l ) 作为高速通信信息的载体，它具有高速、低比特错误率、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 动态分配带宽和高复合能力的优点，这些使得它非常适宜于需要保证服务质 量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 的多媒体数据流。一个信元有5 3 个字节，其中 开始的5 个字节是头部信息，包括路由等控制信息；随后的4 8 个字节是信息 的有效部分。a t m 通过多元统计复用来提高链路的利用率，而且a t m 网络 是一类虚拟的电路交换网络，它融入了电路交换技术和包交换技术。在这两 个系统融入以前它们是独立的，若要互相通信必须获得彼此的通信参数才能 建立虚拟连接。而a t m 网络通过存储技术和统计复用来共享网络资源，网络 资源的共享使得通信费用大大减少。由于多媒体业务流的特性，常引起网络 拥塞并降低服务的质量。 科研工作者们对a t m 网络的拥塞控制进行了一系列的研究，研究出了一 些流量管理控制机制来避免网络的拥塞，有些形成了一定的理论和方法，有 些被r e q u e s tf o rc o m m e n t s ( r f c ) 收录，成为标准。a t m 论坛管理委员会 也将这些算法命为一定的规范，如a t m 论坛业务管理规范4 1 【2 】把网络中传 输的数据流分为不同的类型，且定义了五类服务类型： ( 1 ) 常比特速率类( c b r ) 。数据以恒定的速度进行收发，网络提供预 留的宽带和服务保证。 ( 2 ) 不确定的比特速率类( u b r ) 。数据的接收不受限制，如果带宽够 用，则发送数据包，否则丢弃数据包。但是网络不提供预留带宽和服务保证。 ( 3 ) 可变的比特率( v b r ) 。与c b r 类似，带宽在非高峰期被保留。它 允许高峰期不受限制( 数据突发容忍) 。v b r 又被分为r t ( 实时) 和n r t ( 非 实时) 两种服务类型。对于实时服务类型的网络，需要更注意时间问题。 ( 4 ) 可用比特率( a b r ) 。与u b r 类似，但是网络提供拥塞反馈。如果 端节点对该反馈作出了适当的反应，则可认为该网络能减少由于拥塞造成的 数据丢失。这是前些年研究最多的一类服务。 ( 5 ) 受保证帧速率( g f r ) 。 其中a b r 类为唯一具有反馈特性的服务类。科研工作者常采用反馈控制 机制来控制a b r 流的发送速率，以避免拥塞、减少数据包的丢失和重传，从 而提高网络性能。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 4 a t m 拥塞控制策略 国内外的科研工作者对a t m 的传输性能从不同的角度进行了探索，研究 出了些具有实用价值的a t m 拥塞控制算法和策略。已有相当多的文献对这 些算法进行了描述并对算法进行了改进。其中文献【3 l 对这些a t m 拥塞控制 策略进行了总结，大致有以下几种： ( 1 ) 漏斗法( l e a k yb u c k e t ) 信元要进入网络，必须从令牌池( 漏斗) 取得令牌。若令牌池中无令牌，则网络发生拥塞，信元被丢失。对漏斗法的 一种改进是在令牌池前增加一个缓冲区，让信元在其中等待令牌，等到有空 闲的令牌后，再进入网络，以增加传输等待时间换取减少信元的丢弃。 ( 2 ) 流量整形( t r a f f i cs h a p i n g ) 针对a t m 中传输数据流的突发性， 根据排队理论，改善数据流注入网络的统计特性，使信元到达网络这一随机 过程的统计特性尽量平滑，则服务质量( 延迟和丢失率) 特性较好，从一定 程度上可以避免网络的拥塞。 ( 3 ) 基于信用的流控( c r e d i t b a s e df l o wc o n t r 0 1 ) 。源端在发送数据前， 先接收由目的端发来的信用信息，确定目的端是否有接受信息的缓存空间， 再发送接收范围内的信息，每发送一个信元，信用数就减1 ，这种机制作用于 每一个v c 上，而且每一个v c 都要在接收端预留缓冲区。这样做的好处是 可以避免拥塞，并提高网络的利用率、控制质量和公平性；但缺点是每条v c 都要在交换机内设立缓存，暂时不能被服务的信元都要放在缓存中排队，而 且当v c 数目较多时会导致交换机设计的复杂性。 ( 4 ) 基于速率的流控( r a t eb a s e df l o wc o n t r 0 1 ) 。这是a t m 论坛确定的 标准流控方式，直接控制连接的带宽( 速率) ，采用端到端的控制，使用网络 反馈信息规定每个虚拟连接上每个信源能发送的最大速率。它的好处是设计 简单，且对交换机不做要求。a t m 管理规范【2 】中定义的几个典型的拥塞控制 方法有： 前向显式拥塞通告( f e c n ) f e c n 是一种端到端的方案，在这 种方案中，大多数控制复杂性驻留在端系统中，当经过某交换机时，如有拥 塞发生，该交换机对那条链路上的所有信元的头部标识一位，向前指示拥塞 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 现有的a t m 标准已使用了这个功能) 。同时目标系统监视每个活动虚拟连 接的拥塞状态，若发现拥塞，在虚拟连接的反方向上发送拥塞通知信元，告 诉源端已出现拥塞，源端通过这个反馈信息来增加或减少每个虚拟连接上信 元的发送速率。 反向显式拥塞通告( b e c n ) 在b e c n 中，每个虚拟连接在拥塞 点插入拥塞通知信元；将拥塞信息直接从拥塞点返回到源端，源端调整信元 传送速率的方式类似于f e c n ，b e c n 需要交换机内有很多的硬件来探知和过 滤这些搁塞状态，这样使得源端对拥塞的反应比f e c n 快，更为灵敏，实现 控制更为迅速，但该算法对硬件要求较高。 比例速率控制算法( p r c a ) 和f e c n 、b e c n 采用的基于负反 馈流控机制相反，p r c a 是基于正反馈的控制。这种机制能够解决由于资源 管理信元遭遇网络拥塞而导致网络过载或崩溃的问题。在p r c a 中，源发送 端只有在接收到目的端的显式正反馈后，才增加相应v c 的信元发送速率， 否则将不断地降低它的发送速率。增加或降低的值和当前的信元发送速率成 正比，因此不再需要f e c n 和b e c n 中的时钟和预定时间间隔。 增强性比例速率拥塞控制算法( e p r c a ) 文献 5 中比较了e p r c a 和如下的e r i c a 算法，e p r c a 除了具有上述的显示速率的传输特点外，还 增加了如下规则：对于使用e p r c a 显示速率计算算法的交换机，在对所有源 端平均信元速率估计的基础上，试图公平地、平均地把允许发送速率( 显示 速率) 分配给所有源端。希望的公平速率是一个估计的允许信元速率( a c r ) ， 它可被送给所有的源端以便全部a b r 业务流不超过网络的a b r 容量。这种 机制的优点是通过加权平均计算复杂度，降低了求平均允许信元速率的复杂 度，但是性能不是很理想。 显示速率指示控制算法( e r j c a ) e r j c a 算法的基本思想是：在 第k 个固定长度( t ) 时间区内，支持e r i c a 算法的每个交换机执行三个基 本的测量操作：首先，确定活动v c s 数( 一个活动的v c 是指在该区间内至 少有它的一个信元达到交换机) ，其次确定对于a b r 业务可用带宽，最后确 定a b r 输入速率。 6 硕士学位论文 m a s r s t i e s i s 1 5 t c p 拥塞控制策略 计算机网络在过去的十几年中经历了爆炸式的增长，随之而来的是网络 中越来越严重的拥塞问题。例如由于本地缓存溢出，i n t e r n e t 网关会丢弃约l o 的数据包 6 1 。据统计，i n t e r a c t 上9 5 的数据流使用的是t c p i p 协议1 7 j 。i n t e m e t 主要互连协议的t c p i p 的拥塞控制( c b n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 机制对控制拥塞具 有特别重要的意义。拥塞控制是确保i n t e m e t 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 的关键因 素，因此t c p i p 的拥塞控制成为当前网络研究的一个热点问题。虽然a t m 技术是当前通信网发展的趋势，它具有多种速率接入、实时性好、频带宽、 提供的业务量多等优点，且当前数据通信的骨干网建设主要采用a t m 技术， 但是，当前i n t e r n e t 环境主要采用的还是t c p i p 协议。 t c p 协议中流量控制属于端到端的动态自适应滑动窗口控制机制。这一 窗口控制机制【8 l 由两个窗口组成：通知窗口和拥塞窗口。通知窗口( r e c e i v e w i n d o w ，简记为r c v w n d ) ，是指目的端当前所剩下的接收缓存的大小， 它由目的端通知发送端，用来控制发送流量的大小。拥塞窗口( c o n g e s t i o n w i n d o w ，简记为c w n d ) ，是发送端根据当前往返时延、网络拥塞状态等 因素自动控制的发送窗口的大小，用来表征网络的当前容量。当前协议中的 拥塞控制算法主要有：慢启动( s l o ws t a r t ) 算法、拥塞避免( c o n g e s t i o n a v o i d a n c e ) 算法以及快速重传( f a s tr e t r a n s m i t ) 和快速恢复( f a s tr e c o v e r y ) 算法。 1 、慢启动算法慢启动算法、拥塞避免算法是发送方用来控制注入网络 中未确认的数据量总数。要实现这两个算法必须声明t c p 连接状态中的变量， 即c w n d 和r w n d 。c w n d 是发送方在接收到一个确认( a c k ) 前限制发 送方能传输到网络数据的数目；r w n d ( r e c e i v e rw i n d o w ) 是接收方限制未 确认数据的传输。另外一个状态变量是慢启动门限值( s s t h r e s h ) ，在网络 中数据的传送何时使用慢启动算法或拥塞避免算法取决于幔启动门限值。原 来的t c p 在启动一个虚拟连接时会向网络中发送许多数据包，因为经过路由 器时路由器对传送过来的数据包进行排队，但这样会耗尽存储空间，从而导 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 致t c p 连接的吞吐量( t h r o u g h p u t ) 急剧下降。因此慢启动就预防这种情况 的发生。当有一个新的t c p 连接时，拥塞窗口( c w n d ) 初始化为一个数据 包大小( 5 1 2 字节) 。源发送端以一个数据包的大小传送，当源端收到一个确 认信息时，拥塞窗口增加一个数据包的发送数目，从而源端向网络发送数目 逐渐增加。 2 、拥塞避免算法若发现超时或收到3 个相同a c k 确认包时，网络可能 发生拥塞，这时网络进入拥塞避免阶段。慢启动的阙值被设为当前拥塞窗口 的一半，如果超时，c w n d 被置为1 。当c w n d r 1 t ，a l 为带宽常数) 如图5 的反馈控制方案有两个输入信号：参考信号一( f ) 和干扰信号 d 。将参考信号一( f ) 和带延迟的瓶颈队列速率x 。( r 一。) 的差值传输到控 制器q ( s ) ，控制器计算传输速率“( f ) ，传输速率“。( f ) 在前向延迟8 。”后 到达目的端，而瓶颈队列状况通过反馈延迟e 。”后到达源端。记一个游程 g c ( 5 ) z 一) 图5 s m i t h 拥塞控制 延迟r t t ：n + 7 ，7 1 。为前向传输延迟，r 。为反馈传输延迟。由于回路中 可能出现较大的传输延迟，队列可能会出现振荡，甚至不稳定状态。因此， 必须认真设计控制器以达到系统的稳定性。s m i t h 原贝j j 2 4 提出用一个较大的 传输延迟时间作为有效的死时间补偿使系统稳定。这个方法的好处是可以在 回路中不考虑时间延迟。但是考虑到控制器中有积分器时，则干扰项会导致 状态不稳定。文献【2 9 】提出的s m i t h 原则：从干扰响应中分离定点响应，排除 干扰项。s m i t h 原则 2 4 】还提出设计闭环系统的控制器，该控制器包含延迟， 2 n 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 这样的控制器等于将延迟设计在控制循环之外。鉴于以上特性，本文中我们 设计了一类新的控制方案。设计的理想的输入输出动态特性如图6 所示。我 们设计控制器l c o ，( s ) 使得图5 中得到的控制系统的输入输出动态特性等于图6 的输入输出动态特性。图6 中的理想输入输出模型较文 2 4 1 0 0 的模型增加了参 数a ，得到一类新的控制方案。 图6 理想的输入输出模型 丘嫂- 3 4 拥塞控制方案的数学分析及计算 以下对第三部分中基于s m i t h 原则的网络控制方案进行了具体的算法实 现，并对算法的性能进行分析。在高速通信网中瞬态特性是非常重要的，因 为这些系统由于不断地连接或断开而很少达到稳定状态。设x ，( f ) 为当干扰信 号d ( ，) 为零时的缓冲队列占有量，心( ，) 为当输入信号，( ，) 为零时的缓冲队列 占有量。由转移函数的可叠加性，我们分别用r ( ，) 和d ( t ) 来计算输出缓冲队列 占有量x r ( f ) 和粕( r ) 。 根据s m i t h 原则的要求，图5 中的转换函数生盟等于图6 中的转换函数 ，( 5 ) 兰盟，即： f 文中，略去z ! ，( ，) ，d “( ，) ，( ，) ，a o , ( ，) 的下标 2 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 解方程( 1 ) 得 亟盟生：盟。 一 ( 1 ) 1 + ( g 。( s ) 5 ) p 椰。 1 + 七( s 十) g 。( s ) 分两种情况考虑： ( i ) 在图5 中令d ( ，) = 0 ，则有 g 。( 5 ) p “”1 s r ( s ) 1 + ( g 。( s ) s ) e7 ”e 。b 将( 2 ) 代入( 3 ) 经整理后得 对参考信号r ( ，) = ，。砸一) 作拉普拉斯变换得到 将( 5 ) 代入( 4 ) 得 ，( j ) ：r0 p ”b ! s ! p 一，一 ! p s ，一 js + a + k 对上式进行反拉普拉斯变换后得 删= 忐y 似川7 7 ) 一未出州m - f ( 功 ( i i ) 令图5 中r ( t ) = 0 ，则有 x a s ) ：一土+ ! e - s r ” d ( j ) j s ( s4 - k + 口) 对干扰信号d ( f ) = 口1 ( t 一五) 作拉普拉斯变换得： ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 啊一十一三扣女一s 型 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s d ( 5 ) = 口，! g 叫” ( 8 ) 将( 8 ) 代入( 7 ) 得： “沪一一7 1e 川“q 了1 赤旷邶”q j ( 9 ) 将上式进行反拉普拉斯变换得： 删2 哪一祧一墨) + 而k a i ( r 一尺玎一撇一r 玎一五) ( 1 0 ) + 口r1 n 1 一器，( f 瑚n 瓤1 - e - ( t * d x - m z - ) 综合以上两种情况，目的端，时刻的缓冲队列总的占有量是 j ( f ) = x ，( f ) + x ，( f ) ，即为 加) = 忐r 0 f ( 卜月玎) 而r o k e ( k a x tr r r ) 1 ( 卜r 玎) 1 ( f 一硝卜五) + 粤( 卜r 玎一硝卜月玎一1 ) 1 1 + 口 一i 丽k a t ，( ，一月盯一一) ( | - - e ( k + a x t r v f ) ) 从图5 及方程式( 2 ) 不难得出信源端的受控速率“( ，) 为： ) 2 t k ( f ) 一硼一乙) 】一i 。巾) d r + ( n k ) f 巾) d r ( 1 2 ) 以上方程反映了发送端速率t 时刻的动态特性，r ( t ) 一x ( t 一) 为瓶颈缓冲 队列的剩余空间。其中积分项i ! 。“( r ) dr + ( 口女) r “( r ) d f 为信源端发 送但还未经目的端确认的数据包个数。 方程式( 4 ) 和( 7 ) 的转移函数决定控制系统的稳定性。根据传统控制 理论，当r e ( 一( 女+ 口) ) 0 时，转移函数的极点位于复平面 左半平面，网络系统处于稳定状态，此时缓冲队列占有量没有剧烈振荡，网 硕士学位论文 m a s t e p st h e s i s 络丢包率达到最小。 由于网络的队列缓冲占有量x ( o 是关于时间参数r 的函数，设f = 1 k ， 瞬时动态性考虑在f ，后，设t ，= 尺玎+ l + f ，因此的选取对i ，至关重要。 此外，网络的缓冲占有量0 x ( r ) c r 。 另设r 1 为本文中的最大缓冲占有量，r o 为文 2 4 中的最大缓冲占有量， x ( ，) 为将链路最大缓冲占有量取值r 时的瞬态缓冲占有量。设为则由( 1 1 ) 式有： x l ( f ) = 善一，1 1 ( t r t t ) 一j 二一k e - 啪“( t r r t ) 疗+ a庀+ a 1 ( t - t 0 ( ) + 是卜尺t t 圳，( f 一只t t 一羔f ( r r t t 圳( 1 一例h 7 7 ) 又有： l i m e 一” = 0 ，l i m e 一( “。x 。8 ”一r t ) ：0 ， l i m l ( t r t t ) = 1 ，l i m l ( t r t t z 1 = 1 l + l 代入上式得： “r ) _ 击r i - - a l ( f _ ”是”尺7 7 一志。 解上式得： n 宰c a l l - a i 一急h 是月丌+ 急+ 播， 匕式中取，t 的最小值为 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 止t k + a a l l - a i 正一急急尺玎+ 是+ 嘉 ) 又在( 1 1 ) 中当a = 0 时即为 2 4 中的缓冲队列方程 x ( f ) = po a r t t 一拿0 将上式化简得： r o 口。r t t + 曼 。 k 上式中取r o 的值为 r o ：口r 玎+ 生 。 k ( 1 4 ) 联立方程( 1 3 ) 、( 1 4 ) 可知：当0 k + ! 时，有r 1 0 ，由于本章相对文献【2 4 】 增加了参数a ，文献 2 4 】为本章的特例，文献 2 4 】中只考虑了o = 0 时的情况。 硕士学位论文 m a s t e r s 邶i s 以下我们选取一些参数值进行仿真。假定当k = 0 2 ，a = o 0 1 时网络输入的数据 流为a 流，k = 1 ，c = o 0 2 时网络输入的数据流为口流，k = 0 2 ，d = 0 时网络输 入的数据流为c 流，k = i ，a = 0 时的数据流为d 流。k = 0 2 ，n = 0 0 1 k = 1 ，= 0 0 2 时为本文中采用的控制方案：当k = 0 2 ，d = 0 ，k = 1 ，a = 0 时为 文 2 4 1 中所用的控制方案。设置如下参数：最大游程时间r 玎：2 0m s ，网络链 路上的最大瓶颈容量为，o = 5 0 0 0c e l l s ，带宽控制参数a ，= 0 9 ( 指a b r 流的带宽 利用率保持在9 0 ，v b r 流利用可获带宽的1 0 ) ，带宽函数中时间点 正= 2 4 m s ( 指在瓦时刻带宽可获) 。网络中每个a b r 流的初始速率( i c r ) 均 为1 3 0m b p s 。为了便于比较，我们在仿真时每次只考虑本文中或文 2 4 1 中的控 制方案。图8 显示了当，o = 5 0 0 0 c e l l s 时的缓冲队列占有量及受控输入速率仿真 结果，其中( a ) 当网络中a ，b 流被激活时交换节点1 的缓冲队列随时间的动态 响应；( b ) 当网络中c ，d 流被激活时交换节点1 的缓冲队列随时间的动态响应： ( c ) 当网络中a ，b 流被激活时交换节点l 的受控输入速率随时间的动态响应； ( d ) 当网络中c ，d 流被激活时交换节点1 的受控输入速率随时间的动态响应。 o 2 0 04 g , oo oo a 0 1 2 0 0川i o o2 0 0 0 m ( m ， 啪 m 啪 m 螂 m 啪 啪 m iii。i；j 硕士学位论文 m s r s 咖s i s ( a ) 当网络中a ，b 流被激活时交换节点1 的缓冲队列随时间的动态响应 | 萎r 孳 ( b ) 当网络中c ，d 流被激活时交换节点1 的缓冲队列随时间的动态响应 滔0 0 r ：譬譬秽! ” 。一一一一 ( c ) 当网络中a ，b 流被激活时交换节点1 的受控输入速率随时间的动态响应 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 0 12 0 罟 毫 e e o = g4 0 u 2 0 o1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 010 0 0 mn ( d ) 当网络中c ，d 流被激活时交换节点1 的受控输入速率随时间的动态响应 图8 当，o = 5 0 0 0 c e l l s 时的缓冲队列占有量及受控输入速率仿真结果 由图8 可看出，当r o = 5 0 0 0c e l l s 时，图8 ( a ) 中所采用的是本文中控制参数 a 0 的控制方案，( b ) 图是文献【2 4 】中控制参数a = 0 的控制方案。比较( a ) 和( b ) 可知，( a ) 图的稳定缓冲队列占有量比( b ) 图的稳定缓冲队列占有量 较小。观察( c ) 和( d ) 可知，( c ) 图中网络达到稳定的输入速率略高于( d ) 中的稳定的输入速率。因为网络缓冲队列占有量越小，则网络吞吐率增加，网 络丢包率减小，从而提高了拥塞控制的能力。在这种情况下，本章中改进的拥 塞控制方案优于文献【2 4 】中的拥塞控制方案。 由第四部分的分析知道当0 a k + 1 ( t 一正) 时，本章中的缓冲队列门限 值，1 小于文献 2 4 1 中的缓冲队列门限值r o 。本文选取了当门限值r 1 = 3 0 0 0 c e l l s 对网络交换节点1 的缓冲队列占有量及受控输入速率进行了仿真，结果如图9 所 示： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 0 0 0 2 5 0 0 奎 22 q 0 0 0 ： g t s o o i 1 0 0 0 5 0 0 2 0 0晶6 0 08 0 0 o | ot 2 0 0 1 o 。6 0 01 e o o2 0 1 0 0 ( i m ef m l l ( a ) 当网络中a ，b 流被激活时交换节点l 的缓冲队列随时间的动态响麻 02 0 04 0 0b 0 0 0 0 012 0 014 0 0t i s 0 0 t o o ；1 0 0 0 t i m f m s ) ( b ) 当网络中c ，d 流被激活时交换节点1 的缓冲队列随时间的动态响应 一sucnju!，4 硕士学位论文 m a 5 t e r st h e s i s ? 0 02 0 03 0 0 ( 1 0 0 5 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 mn 被激活时交换节点1 的受控输入速率随时间的动态响应 t i m ln ( d ) 当网络中c ，d 流被激活时交换节点1 的受控输入速率随时间的动态响应 图9 当r 1 = 3 0 0 0c e l l s 时的缓冲队列占有量及受控输入速率仿真结果 由图9 可以看出，当我们减少缓冲队列门限值时，网络缓冲队列经过一段 延迟后达到稳定状态且交换节点的受控输入速率经过一段时间后亦达到稳定 的传输状态。 由图8 、图9 的分析我们不难得出当缓冲队列门限值减少时网络中交换节点 硕士学位论文 m a s r st h e s i s 的输入速率达到稳定状态的时间减少，从而加快网络的传输，有利于提高网络 的q o s 。图1 0 中显示了缓冲队列门限值不同的缓冲队列占有量及受控输入速率 的仿真结果。表1 对图8 1 0 的仿真结果进行了列表显示，以便更加清晰地显示 出本文中的控制方案的速率达到稳定的响应时间小于文 2 4 】中的控制方案；缓 冲队列占有量小于文 2 4 中的控制方案，因此网络链路的吞吐率高于文 2 4 中 的控制方案。 02 0 04 0 06 0 08 0 0 0 0 01 2 0 014 0 01 6 0 01 8 0 0z 0 0 0 i i m ef m 5 l 缓冲队列门限值不同时缓冲队列 有量仿真| 芏| o o而o2 3 0 0 o 。5 o7 0 0e o o。o o1 0 t i m n ( b ) 当缓冲队列门限值不同时受控a b r 流的输入速率仿真图 图1 0 当缓冲队列门限值不同时缓冲队列占有量及受控a b r 流的输入速率仿真圈 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 从图1 0c a ) 可以看出，当门限值为，= 3 0 0 0 c e l l s 时的缓冲队列占有量较门 限值为，o = 5 0 0 0c e l l s 时缓冲队列占有量的值减少，经过一段时间延迟后，网络 达到稳定状态。另从图l o 中( b ) 看出，当缓冲队列门限值减少时，网络交换 节点受控端的输入速率达到稳定的时间减少。如表1 所示，当采用本文中的方 案时，网络输入速率达到稳定时间约为2 5 0 m s ：当采用文1 2 4 1 中的方案时，网 络输入速率达到稳定时间约4 8 0 m s ，因而缩短了速率达到稳定的时间，可以提 高控制方案的效率，防止数据包的丢失。 表1 ：本章中的控制方案和文【2 4 中的控制方案的性能参数比较 f 0 = 5 0 0 0 c c i i s，。= 3 0 0 0 c e l l s 漉 ，m 垤冲队列输入速率速率达刘缓冲队列输入速牢速率达到 ff 组 只r的稳态值的稳态值稳定的时的稳态值 的稳态值稳定的时 ( a b r )m b p sm b p s c e l l s m b p s间m s c e l l s m b p s间m s j ( i = o2 口= oe 1 )l3 003 9 5 094 8 01 8 5 02 5