（计算机应用技术专业论文）弹性分组环中tcp性能的改善与研究.pdf

南京邮电大学硕士学位研究生论文 摘要 摘要 弹性分组环r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ( r p r ) 是一种基于分组交换的m a c 层协议，具有高效、 公平和弹性自愈等诸多优点，由i e e e8 0 2 1 7 工作组负责其标准化工作。公平机制是r p r 网络中的一个关键特性，通过空间复用技术，实现了良好的公平性和高链路利用率。r p r 通过节点问的显式速率反馈机制，有效地控制了拥塞及带宽在各个节点间的公平分配。然 而在某些场景下( 如非平衡流) ，r p r 公平机制使用了不适宜的初始公平速率，基于滑动 窗口的t c p 拥塞避免机制无法及时做出响应，这将引起两种机制间的速率失配，t c p 实际 拥塞窗口大小长期小于可用窗口大小，最终导致t c p 性能的衰减。 主动队列管理算法可通过评估网络状态、预测拥塞出现，对分组进行有目的地丢弃， 从而使发送端及时地了解到网络状况并调整发送速率。因此，本文在r p r 网络中使用主动 队列管理算法代替“弃尾 ( d r o p t a i l ) 算法，以减少t c p r p r 中速率失配的情况。现有的 主动队列管理算法视链路带宽为固定值，并根据带宽值对算法参数进行设置。而r p r 节点 的带宽受到公平算法机制的限制，是一个动态变化的值，静态的主动队列管理算法在r p r 中并不能获取最佳性能。本文以主动队列管理算法中的“自适应随机早期检测算法 ( a r e d ) 为基础，引入了动态a r e d 算法，它根据r p r 站点的公平速率动态调整a r e d 参 数以适应网络变化。 本文在n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 平台上实现了动态a r e d 算法，同时进行了大量的仿真 实验。仿真结果表明：在r p r 中，动态a r e d 表现出了更有效的主动式队列管理性能， 能够得到更好的带宽利用率及更低、更稳定的网络时延。 关键词：r p r 公平算法，i e e e8 0 2 1 7 ，动态主动队列管理，动态a r e d 南京邮电大学硕士学位研究生论文 a b s r t a c t a b s t i 认c t r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ( r p r ) ，an o v e li e e e8 0 2 一s e r i e sm a cs c h e m eo v e ro p t i c a ln e t w o r k f o rm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ( m a n ) ，p r o v i d e sf l e x i b l ed a t ae f f i c i e n td e l i v e r ya n do p t i c a l t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y f a i r n e s ss c h e m e ，ak e yt e c h n o l o g yi nr p rn e t w o r k s ，e n a b l e sf a i m e s s a n dh i g hl i n ku t i l i z a t i o nw i t hs p a t i a lr e u s e r p rp e r f o r m se f f i c i e n tc o n g e s t i o nc o n t r o lw i t ha n e x p l i c i tr a t en o t i f i c a t i o n ；h o w e v e r ，m a n yr e s e a r c h e r sr e c e n t l yf o u n dt h a tr p r f a i r n e s ss c h e m ei n r p rn e t w o r k ss u f f e r sp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nu n d e rs o m et r a f f i cs c e n a r i o s ( i nu n b a l a n c e t r a f f i c ) i nt h e s es c e n a r i o sr p r f a i m e s ss c h e m eu s e sap o o ri n i t i a lf a i rr a t e ；i ti sh a r df o rt h et c p c o n g e s t i o na v o i d a n c es c h e m et ot r a c kt h ef a i rr a t e a n dt h e nt h et w os c h e m eu s em i s m a t c h e d r a t e ，d u r i n gt h i st i m et h es i z eo ft c pc o n g e s t i o nw i n d o wi sm u c hs m a l l e rt h a nt h es i z eo fa c t u a l a v a i l a b l ew i n d o w , i tc a u s e st c pp e r f o r m a n c ed e g r a d i n g a c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ( a q m ) a l g o r i t h md r o p sp a c k e t sp u r p o s e f u l l yb ye v a l u a t i n g s t a t eo fn e t w o r ka n df o r e c a s t i n gc o n g e s t i o n s s ot h es e n d e r sc a nb ei n f o r m e dw i t hs i t u a t i o no f n e t w o r k a n dt h e nc a na d a p tt h es p e e d t h i sp a p e rr e p l a c e st h ed r o p t a i la l g o r i t h mi nr p rw i m a q ma l g o r i t h mt oa c c o m m o d a t er a t em i s m a t c hi nt c p - r p r d u a l - c o n t r o ls y s t e m a q mu s e sa c o n s t a n tl i n kr a t et oi n i t i a l i z et h e i rp a r a m e t e r s i nr p rn e t w o r k ，t h er a t eo fr p rn o d es u b m i t st o t h ef a i rr a t e t h eo r i g i n a la q mi nr p rc a nn o ta c h i e v et h eb e s tp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r dad y n a m i ca r e da l g o r i t h mb a s eo na r e d i tw i l lr e c e i v ef a i rr a t en o t i f i c a t i o nf r o m r p rf a i r n e s ss c h e m e ，a n dr e i n i t i a l i z et h ea r e dp a r a m e t e r sw i t hn e wf a i rr a t e s i m u l a t i o n s s h o wt h a tc o m b i n a t i o no fd y n a m i ca r e da n dr p rl e a d st oe f f e c tu t i l i z a t i o no fn e t w o r k b a n d w i d t ha n dg o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：r p rf a i r n e s sa l g o r i t h m ，i e e e8 0 2 1 7 ，d y n a m i ca q m ，d y n a m i ca r e d n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词 缩略词 缩略词英文全称译文 a c k a c k n o w l e g e m e n t应答 a d m a d d d r o pm u l t i p l e x e r 分插复用器 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 i c a t i v ed e c r e a s e 加性增加乘性减少 a p sa u t o m a t i cp r o t e c t i o ns w i t c h i n g 自动保护切换 a r e d a d a p t i v er a n d o me a r l yd e t e c t i o n自适应随机早期检测 c i r c o m m i t t e di n f o r m a t i o nr a t e 承诺信息速率 c w n d c o n g e s t i o nw i n d o w 拥塞窗口 e i r e x c e s si n f o r m a t i o nr a t e 超额信息速率 i e e ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s美国电器与电子工程师协 e n g i n e e r i n g 会 m a c m e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒体访问控制 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r 1 dr e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t 超时重传 r t t r o u n dt r i pt i m e往返时间 r e dr a n d o me a r l yd e t e c t i o n 随机早期检测 s d h s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y 同步数字系列 s s t h r e s hs l o ws t a l lt h r e s h慢启动门限 t c p t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l传输控制协议 4 9 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电大学或其它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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：址日期：鲨蚶， 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：蟑导师签名：二萎三孟氢一日期：型午 自京【 i | j l ! 砸i ，研r 4 学r * i 第一章绪论 i ir p r 网络介绍 第一章绪论 弹性分组环r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ( r p r ) 1 1 , 2 1 是一种基于分组交换的m a c 层| 办议，用于 在光网络中直接传递i p 分组，具有高敛、公平、弹性自愈等诸多优点，由i e e e8 0 21 7 工 作组负责其相关基本协议的标准化t 作。r p r 技术集i p 的智能化、以太网的经济性和光 纤环m 的高链路利用率、可靠性于一体，为宽带i p 城域网运营商提供了一个良好的组网方 案。r p r 技术使得运营商在城域网内以低成本提供电信级的服务成为可能，在提供类似 s d h 级网络可靠性的同时降低了传送费用。 r p r 为互逆双环结构，在两个环卜都可以传输数据。两个环分别称为0 于环( r i n g l e t 0 ) 和1 子环( f i n g l e t l ) 。0 子环也称为外环，l 子环也称为内环。外环上的数据沿顺时针方向传 送，内环上的数据沿逆时针方向传送。r p r 网结拓扑结构如图11 所示。 图1 lr p r 网络结构 两个相邻r p r 节点之问的链路称为l ：蔓( s p a n ) ，多个连续的段和其上的节点构成域 ( d o m a i n ) 。节点与环配合，采用分组a d m 式数据交换，完成各种数据操作。常用的基本数 据操作如图12 所示，包括： 上环( i n s e r t ) ：节点设备把从其它接【 转发过来的数据包插入到r p r 环l 传送。 自i 自 目士研究生 * 论女第一章堵论 下环( c o p y ) ：节点设备从r p r 环上接收数据包，交给节点上层作相应处理 过环r t r a i l s i t ) ：将途经本节点的数据包继续转发到下一个节点。 剔除( s t r i p ) ：剥离途经本节点的数据包，不再往下转发。 剪据h t e - 图12 r p r 基本数据操作 r p r 对于过环的数据包操作，与s d h a d m 设备的处理方式很相似，过环数据报文不 需要设备上层处理。这种数据分组的a d m 式交换体系很容易支撑各种高速链路接口。 r p r 中所采h j 的一些技术特征可以总结为以下几点： 高效的带宽利用：传统的s d h s o n e t 【3 】网络中如果要提供业务保护，需要环带宽的 5 0 作为冗余。r p r 则不然，它的两个环上都可以传送数据，无需为提供保护功能而保留 带宽。r p r 允许数据分组在源节点和目的节点之间的环上传输，目的节点在接收到单播分 组后，将其从环中剥离；当分组从环中被剥离后，它就不再占用环上带觉，而是释放下游 段供其它分组使用，以此来实现空间复用。 良好的公平性：由于r p r 环的统计复用性质，其带宽的管理和控制是分布式的，即由 各节点的控制算法来集体确定。为保证各节点的业务均有平等享有带宽的权利，公平算法 使各节点上环的流量在存在竞争的情况下机会均等，并采用币同的传输队列和调度算法来 保证小同业务级别的q o s 处理。 迅速地保护倒换：在发生单链路故障时，r p r 要求在5 0 m s 内完成保护倒换。r p r 采 用流量环回( a p ) 或者绕开( s c e e r i n 曲的方法来完成保护倒换。采用w r a p 时，和故障邻接的 节点会把故障环上的流量环回到另一个环上传送，这种方法使数据流在发生故障时仍然保 持连通性。采用s t e e r i n g 方式，当发生链路故障时，- - d 部分己上环流量在故障链路处丢 失，后续上环流量通过选择在另外一个环上传送数据来避开故障链路。在实现中可以将 这两种方法结台使用，先环回，再绕开。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论 多等级、可靠的q o s 服务：r p r 的实现中定义了a 、b 、c 三种服务级别，其中a 类 业务是c i r ( 保证带宽) 业务，数据优先级别最高，可满足对带宽和抖动有严格要求的业 务，如v o l p 话音、传统的2 m 专线替代等；b 类业务为c i r + e i r 业务，定义了保证带宽 并允许突发，可满足对带宽有要求，但对抖动要求不严格的业务，如视频和高优先级别的 数据业务等；c 类业务可以实现b e s te f f o r t 的业务类型，可廉价地满足大量的普通上网业 务的需要。 简单、快速的接入：r p r 具有拓扑结构自动发现和更新功能。在网络拓扑变化时，每 个节点通过接收环上其它节点发送的拓扑发现控制帧( t o p o l o g ya n dp r o t e c t i o n ) ，自动建立和 更新自己的拓扑图，使得网络初始化配置变得极其简单，实现了即插即用，避免手工配置 带来的错误，便于进行网络的运营维护。 1 2t c p 在r p r 中存在的问题 公平机制是r p r 网络中的一个关键特性，通过空间复用技术【4 羽，实现了良好的公平性 和高链路利用率。r p 髓过节点间的显式速率反馈机制，有效地控制了拥塞。 然而最近的许多研究发现，r p r 公平机制在非平衡流网络中，使用了不适宜的初始公 平速率，收敛速度慢，这将导致网络性能特别是t c p 流性能的衰减。基于滑动窗口的t c p 拥塞避免机制很难跟踪r p r 公平性机制所允许传送的速率，这将导致两种流量控制算法间 的速率失配。例如，当r p r 公平算法限制上环速率而丢弃超出流量时，恰巧t c p 发送端不 合适宜地拥有较大的拥塞窗口，t c p 发送端将继续产生超过r p r 公平算法允许的上环流量， 从而导致大量的数据包被连续丢弃，这使得t c p 发送端的拥塞窗口巨幅减小。在t c p 发送 端缓慢增加拥塞窗口的这段时间，带宽利用率处于较低的水平。本课题要解决的主要问题 就是改善在r p r 公平算法和t c p 拥塞控制算法双轮控制下的t c p 性能。 1 3 论文内容安排 本论文主要研究和解决由于r p r 公平算法和t c p 拥塞控制算法速率失配而造成的 t c p 性能衰减问题。通过在r p r 网络中使用主动队列管理算法，使t c p 发送端及时地了 解到网络状况并调整发送速率，来解决r p r 公平算法与t c p 拥塞控制算法速率失配问题。 全文内容组织如下： 第一章：绪论，指明了本文的研究背景。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第二章：介绍r p r 节点的基本结构，r p r 公平算法及速率限制机制。 第三章：介绍了t c p 拥塞控制算法，并建立r p r 公平算法和t c p 拥塞控制算法双轮 控制分析模型。在该模型基础上，对r p r 中t c p 性能衰减问题进行了定性和定量分析。 第四章：介绍了主动队列管理算法r e d a r e d 算法，并在r p r 网络中引入a r e d 算 法。通过分析a i l e d 在r p r 网络中的不足，提出适应r p r 网络的动态a r e d 算法来改善 r p r 网络中的t c p 性能。 第五章：利用n s 对所实现的动态a r e d 算法进行一系列的情景仿真实验，通过仿真 结果验证在r p r 网络中引入主动队列管理算法对t c p 性能的改善及r p r 网络中动态 a r e d 相对于a r e d 的优越性。 第六章：结束语和以后工作展望。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章r p r 公平算法 2 1r p r 姒c 结构 第二章r p r 公平算法 r p rm a c 采用了区分优先级的多业务接入缓存以及转发缓存机制，如图2 1 示。r p r m a c 主要分为三个功能模块：流量上环模块、流量下环模块和流量转发模块。 、n c 客户端 p t qp r i m a r yt r a n s i tq u e u e ，主转发队列 s i qs e c o n d a r 7t r a n s m i tq u e u e ，从转发队列 图2 1r p r 节点m a c 结构 流量上环模块负责完成对上环流量分类整形，该整形是利用基于信用值的令牌桶实现 的。上环业务流量首先由r p rm a c 客户端( r p rm a cc l i e n t ) 完成流量分类标识，随后进入 r p rm a c 中与其优先级相对应的流量整形器中。 流量下环模块负责接收环路上属于本节点的业务流量。环路上的数据经过物理层接口 进入到m a c 中，通过地址匹配的查找，将目的地址为本节点的单播数据帧从环路上剥离， 送往m a c 客户端；将广播和多播数据帧拷贝到m a c 客户端；将源地址等于本节点地址的 数据帧、t t l 为o 的数据帧从环路上剔除；其它数据帧则送到转发模块，继续在环路上的传 送。 业务流量转发模块完成对过环流量及上环流量的发送调度工作。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章r p r 公平算法 r p r 提供两种转发缓存模式：单队列模式和双队列模式。在粤从列m a c 结构中，节点 不加区分的将转发分组存储在同一个队列中，称为主转发l j ) k y l j p t q ( p r i m a r yt r a n s i tq u e u e ) 。 而双队列m a c 结构则区分过环分组，a 类业务分组存放在主转发队列中，其它业务分组则 存放在从转发队列s t q ( s e e o n d a r yt r a n s m i tq u e u e ) 。转发模块根据p t q 队列状态、s t q 队列 状态、上环流量状态以及公平速率，对过环流量以及本地上环流量进行发送调度。 2 2r p r 公平算法 如图2 2 所示，r p r 节点s 6 的链路发生拥塞，r p r 节点s l 到s 5 均为拥塞贡献节点。 蓖呈告芒涟皇船、1 ： s os 1s 2s 3 s 4s s s 6s 7s 81 ：二二赫l赫一一一二型?congestionfeedbackdata一 二：_ 二二一：二二- 二一i 二二二二：二：二：二：二 一i n q l e t 0 一? + 一 一一一一一一7 图2 2 r p r 公平算法i i 标 bs 到b 6 为对应节点受r p r 公平算法限制的发送速率。这些业务流量均需穿越s 6 节点的拥 塞链路。w i 为管理权重，用于在遵守公平算法原则的基础上调整节点的上环流量。 l i n kr a t e 表示链路容量，f a 4 - 弋表为高优先级业务预留的带宽比率( a 类和b c i r 类) 。公 平算法的目标可以描述为计算出公平速率f a i r r a t e ，并使其满足下面两个条件： a ) b i w i ：f a i r r a t e b ) b l + + b 6 c ) ，n 3 节点处将发生拥塞。n 3 将优先发送s t q 队列中的过环报文，无法得到满足。 n 3 基于r p ra m 公平算法机制计算出公平速率f a i r r a t e n 3 】，并向上游节点通告。 f a i r r a t e n 3 为n 3 节点上一个老化周期内经平滑处理后上环流量大小，f a i r r a t e n 3 】凡。 当n 1 接收到该消息后，n 1 将本地上环速率限制为凡。此时t c p 发送端拥塞窗口大 小仍保持在w ( 0 ，即w ( t + ) = w ( t ) ，t c p 发送端对r p r 公平速率的变化一无所知。由于拥 塞贡献节点n 1 限制其发送速率不得超过公平速率r b ，n 3 处的拥塞将逐渐消失。拥塞消失 后，n 3 将向上游节点通告f u l lr a t e 公平速率，n 1 随后迅速增加其发送速率。 在这个过程中a m 的缺陷导致了t c p 性能的衰减。理论上来说，当背景流量开始发送 后，n 1 最适宜的公平速率应该为c 一如。而根据r p ra m 机制n 3 通告的公平速率近似等 于风。当心qavg+wqq(41) 。 ， 其中w 。为权值，q 为采样时实际队列长度。这样由于突发数据或者短暂拥塞导致的实 。 际队列长度暂时的增长将不会使得平均队长有明显的变化，从而过滤掉短期的队长变化， 尽量反映长期的拥塞变化。在计算平均队长的公式中，权值w q 相当于低通滤波器的时间常 数，它决定了网络设备对输入流量变化的反应程度，因此对w q 的选择非常重要。如1 w q 过 大，r e d 就不能有效地过滤短暂的拥塞：如果w q 太小，q 甜g 就会对实际队列长度的变化反 应过慢，不能合理地反映拥塞状况，网络设备就不能有效检测到早期的拥塞。w 。的值应根 据不同情况预先设置，般由网络设备允许发生的突发业务的大小和持续的时间所决定。 计算平均队长的目的是为了反映拥塞状况，根据拥塞的程度来计算丢弃包的概率，从而有 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章a q m 在r p r 网络中的应用 效地控制平均队列长度。 r e d 有两个和队列长度相关的阈值：t m i n m 和t m 。x m 。当有包到达网络设备时，r e d 更新 平均队长。平均队长和丢包概率的关系如图4 1 所示。 p b l x n 图4 1 平均队长和丢包概率的关系 若q 矾g t m i n t h ，丢包概率为o ，不需要进行丢包处理； 当t m m t h _ _ _ q a v g t m 。x m 时，计算出丢弃概率p b ； 当q 吖g 芝t m 。x t h 时，所有的包都被丢弃，即 l 0 ( o q 碘 r 咄& ) 一 昔专c t ，葛q a x 3 t a r g e ta n dp m 戤s0 5 i n c r e a s ep m 戤： p m 舣= p m 舣+ q e l s ei fq 吖g t a r g e ta n dp m a , , 之0 5 d e c r e a s ep m a x ： p m 戤= p p 眦 其中q 删g ：平均队列长度， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章a q m 在r p r 网络中的应用 i n t e r v a l ：更新时间间隔，通常为o 1 秒；一 t a r g e t ：目标队歹0 范m t m i n t h + 0 4 幸( t m 戤t h t m i n t h ) ，t m i n t h + 0 6 气t m a x t h t m i n t l i ) 】； ：增量参数，m i n ( 0 0 1 ，p 删泓) ； p ：减量参数，通常取值为0 9 4 3a r e d 在r p r 网络中的应用 在使用d r o p t a i l 队列管理算法的r p r 网络中，当公平速率调整而导致t c p r p r 速率 失配时，t c p 拥塞机制无法得到显式的反馈。超过公平速率允许的t c p 流量无法得到及时 服务，迅速将发送队列填充至满，后续大量的数据报文被连续丢弃，导致t c p 发送端超时 重传或者基于重复的a c k 多次减小拥塞窗口至一个很低的值。如图4 2 所示，其中阴影部 分面积为t c p 实际传送的数据。 窭际可用窗口大小 窗口大 t ot lt 1 + r t 0 t 1 ) 图4 2 使用d r o p t a i l 时t c p 拥塞窗口的变化 在t o 时刻r p r 公平速率迅速减小，t o 到t 1 时刻t c p 实际窗口超出可用窗口，超出部 分对应的数据存入发送缓存队列。t l 时刻之后，由于发送缓存队列溢出，超出可用窗口部 分对应的报文将被丢弃。从t l 时刻后t c p 发送端需等待r t o 时间后才能做出反应，迅速 将发送速率降低为0 ，进入慢启动阶段，随后进入拥塞避免阶段，缓慢增加拥塞窗口大小。 在时刻t i + r t o 后的一段时间内，一方面由于上游节点根据公平速率限制上环流量速 率，下游节点的拥塞迅速消失，公平速率基于公式( 2 2 ) 进行增加，公平速率在几个r t t 时 间内恢复( 公平速率调整周期a g i n g _ i n t e r v a l 大大小于r t t ) ；另一方面，由于t l 时刻后大 量的数据报文被连续丢弃，t c p 发送端基于一个较小的s s t h r e s h 值，缓慢增加其拥塞窗口。 2 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章a q m 在r p r 网络中的应用 整个过程中t c p 的拥塞窗口大j 、长期处于可用窗口大小2 _ t ，带宽利用率低，降低了t c p 性能。 4 3 1 静态a r 印在r p r 网络中的应用 a r e d 本质上继承r e d 拥塞控制机制的基本思想，是通过监控网络设备输出端口队列 ，的平均长度来探测拥塞，一旦发现拥塞逼近，就随机地选择连接来通知拥塞，使它们在队 列溢出导致丢包之前减小拥塞窗口，降低发送数据速度，从而缓解网络拥塞。现有的a r e d 算法，由于w q 、t m a x t h 和t m i n t h 在初始化后不再改变，因此称之为静态a r e d 。 r p r 中用a r e d 代替d r o p t a i l 后，在t c p r p r 速率失配t c p 流量迅速填充发送队列 的过程中，a r e d 随机丢包的概率迅速增加。在发送队列溢出前，a r e d 可及时向t c p 发 送端发出拥塞指示，使其降低速率，避免更严重的拥塞发生而导致t c p 发送端的拥塞窗口 急剧减小。扩展后的t c p r p r 双轮控制系统图如图4 3 所示。 g t w o r kp 代圮麟 图4 3 在t c p r p r 控制系统中加入a q m 在t c p r p r 双轮控制系统中引入a r e d 主动队列管理算法后，预期的t c p 拥塞窗口 变化如图4 4 所示。r p r 公平速率在t o 时刻迅速减小，a r e d 通过平均队列的增长感知到 公平速率变化，在t 2 时刻a r e d 通过随机的选择数据报文进行丢弃，及时通知t c p 发送 到端。t c p 发送端在t 2 + r t t 时刻( r t o 超时前) 及时做出相应，将拥塞窗口减少一半， 避免了发送队列溢出后造成连续丢包而引起拥塞窗口巨幅减小。显然a r e d 比d r o p t a i l 更及时的跟踪到了公平速率的变化，并及时将信息反馈给t c p 发送端，增加了带宽利用率。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章a q m 在r p r 网络中的应用 图4 4 使用a r e d 时t c p 拥塞窗口的变化 4 3 2 动态a r 印基本思想 r e d a r e d 工作性能的优劣很大程度上是由其预先设置的参数w q 、t 删【i i l 和t m 蛐决 定的。通常主动队列管理算法中链路带宽c 为固定值，并以此对算法参数进行设置，以获 取最优的性能。相关计算公式为： p t c = c ( 8 幸m e a n _ p k t s i z e ) ( 4 3 ) t m i n t h = m a x ( ( p t c 赤t a r g e t d e l a y 2 ) ，5 )( 4 4 ) t m 8 x t h = 3 t m i n t h ( 4 5 ) w q = 1 0 一e x p ( - 1 0 o p t c ) ( 4 6 ) 其中c 为链路带宽，单位为比特秒；m e a n为平均数据包大小，单位为字节；pktsize p t c 即为每秒传送的数据报文个数；t a r g e t d e l a y 为期望的数据报文在发送队列中排队等待时 延，通常取值为0 。0 0 5 秒。 由于r p r 中节点的带宽受到公平算法的限制，是一个动态变化的值，固定链路带宽无 法充分描述当前的网络状况。因此静态的主动队列管理算法在r p r 中并不能获取最佳性 能，在公平速率远远小于c 时，r p r 中的静态主动队列管理算法将退化为d r o p t a i l 。 动态a r e d 的思想是在静态a r e d 基础上，根据r p r 节点当前的公平速率动态调整 a r e d 的、q 、t m a x t h 和t m i n m 参数。动态a r e d 在t c p - r p r 系统控制图中的扩展如下图4 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章a q m 在r p r 网络中的应用 所示。 7 图4 5 在t c p r p r 控制系统中加入动态a r e d 算法 r p r 公平控制模块在设置公平速率的同时将当前的公平速率通知a r e d 模块，a r e d 模块将根据公平速率重新调整算法参数。在动态a r e d 中，将公平速率视为链路带宽，并 以此重新初始化。 在静态a r e d 中，通过控制平均队列大小来稳定数据包的排队时延。 1 q a v g 吉( t m i 。m + t m a x l l l ) ( 4 7 ) t a r g e t d e l a y 2 q 列g 依( 4 8 ) 其中r 为队列发送速率，在静态a r e d 中，认为队列发送速度等于链路带宽c ，即 r = c ( 4 9 ) t a r g e t d e l a y 2 q 利g 忙 ( 4 10 ) 而在r p r 网络中，队列的发送速率受公平速率的限制，队列发送速率不再恒等于链路 速率。在n 节点公平共享链路带宽时，每个节点享有c n 的带宽。由于静态a r e d 参数 t m i n t h 和t m 联t h 在公平速率变化时保持不变，因此q “g 保持不变。实际的发送排队等待时延 t 1 可以通过公式计算。 t 12 q a v g 依( 4 1 1 ) r 2 c n ( 4 1 2 ) 即 t 1 = n 幸t a r g e t d e l a y ( 4 1 3 ) 而在动态a r e d 中，由于t m i n t h 和t m 。x t h 随公平速率而变化，q 驸g 也相应变化，可以 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章a q m 在r p r 网络中的应用 将实际的发送排队时延固定为 t 1 = t a r g e t d e l a y( 4 14 ) 与公式( 4 1 3 ) 相比，显然动态a r e d 的发送排队时延不受共享带宽的节点数影响，可 以获取稳定的端到端的时延，从而极大的改善了使用d r o p t a i l 和静态a r e d 时端到端时延 巨幅变化而对t c p 性能造成的影响。 一4 3 3 动态根印参数平滑过渡 以3 2 1 节的场景为例，考虑极端情况下动态a r e d 存在的某些问题。在心流量未上 环前，t c p 发送端独占链路带宽，达到稳定状态，其值接近链路带宽c 。由于a r e d 的引入，n 3 发送队列仍保持稳定的大小，且队列占用率维持在一个较低的水平。此时背景 流量凰开始上环，导致在n 3 的共享链路上发生拥塞。 假设r b c ，或c = mr b ，m 为一个较大的值。此时r p r 节点n 1 根据r p r 节点 n 3 通告的公平速率如调整本地上环流量，并将此公平速率通告a r e d 模块，动态a r e d 模块使用公平速率更新其参数。 表4 1 中列出本节中使用到的参数。 表4 1 参数描述 参数定义 t | i i i r n l l ( i ) t 。a ) c t h ( i ) q a v g ( i ) c q 融 t 缸o o d i 第i 次调整a p e d 参数后，t 。i m h 的值( 数据包个数) 第i 次调整a p e d 参数后，l 。山的值( 数据包个数) 第i 次调整a r e d 参数时队列的平均长度( 数据包个数) 链路容量( 每秒数据包个数) 背景流量的输入速率( 每秒数据包个数，约定风 ( i ) ，特别当m 1 5 时，当前平均队列q 吖g ( i ) 大大超过 了t m 眦h ( i ) ，a r e d 算法将退化为d r o p t a i l 算法，导致后继大量的数据报文连续被丢弃， 直到q g 缓慢减少到t t h ( i ) 之下。这个过程大量的数据连续丢弃将导致t c p 发送端超时， 进入慢启动，影响了t c p 性能。由a r e d 的特性可推测t m 。x t h 的值从t m a x t h ( i - 1 ) 调整为t m m ( i ) ， 的时刻，虽然q 吖g ( i ) t m 锄h ( i ) ，但队列缓存占用率并不高，此时盲目的丢包导致t c p 发 送端拥塞窗口巨幅减小而降低t c p 的性能似乎并没有必要。 于是，动态a r e d 要解决的一个问题是参数平滑过渡。动态a r e d 参数平滑过渡的思 想即：在t m i n t h 和t m 缸t l l 根据公平速率跳跃减小，导致随后的一段时间a r e d 退化为d r o p t a i l 过程中，通过设置中间状态的t m i n t h ( t m p ) 和t m a x t h ( t m p ) 来缓冲t m i n t h 和t m 戤m 的巨大变化， 平滑调节平均队长到目标值后再最终完成a r e d 参数的切换。 动态a r e d 参数过渡的示意图可以由图4 6 表示。 包概率 图4 6 动态a r e d 算法中的参数平滑过渡示意图 当q 驯文i ) t m 。x t h ( i ) 时需要判断当前队列可用空间q 眠是否超过阈值t 锄鼬，如果低于 3 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章a q m 在r p r 网络中的应用 这个阈值，放弃对参数进行过渡处理，否则使用参数过渡处理。这是因为，当发送队列可 - 用空间低于这个阈值，没有足够的缓存队列去保存参数平滑处理过程中超过公平速率允许 的数据包。此时参数的平滑过渡处理反而会使t c p 发送端响应速度变慢而导致发送队列溢 出。过渡参数计算方法为： t m i n m ( t m p ) = 互1 t m i n m ( i ) ( 4 1 4 ) t m a x i i l ( t m p ) ：圭( t m i n t h ( i 1 ) + t m a x t h ( “) ) 4 3 4 动态u q e d 的实现 ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) 对是否进行参数平滑过渡使用的阈值t 锕o 。t l 的计算必须能足够反应当前队列的变化情 况，以保证使用参数平滑过渡时有足够的队列缓存。通过跟踪公平速率来估计当前的发送 速度，采用了与低通滤波类似的方法来估算公平速率。计算公式为： r s m t i i = w b a n d 木f a i r r a t e + ( 1 - w b 锄d ) 宰咫啪0 m( 4 2 2 ) 其中，w b a n d 为权值，f a i r r a t e 为当前实际的公平速率。则t 。m o o t l l 的计算公式可以表示为： t s m 0 0 t l l = 伐tr s m 础 ( 4 2 3 ) t 为预设的t c p 端到端的传播时延，伍为增益因子，建议取值为1 4 。 a r e d 模块在接收到r p r 公平控制模块通告的公平速率f a i r r a t e 后，完整的动态a r e d 伪代码如下： i fr s m o m 一0t h a nr s m 0 0 t f i = f a i r r a t e e l s er s m o o t i l = w b 锄d 木f a i r r a t e + ( 1 一w b 觚d ) 母r s m o o t i l t s 肿劬= tr s m o o m 4 p t c = f a i r r a t e ( 8 幸m e a n _ p k t s i z e ) t m i n t h ( t m p ) = m a x ( ( p t c 幸t a r g e t d e l a y 2 ) ，5 ) t m 删l ( t i i l p ) 23t m i n t h ( t m p ) w q ( t m p ) 51 0 一e x p ( - 1 0 0 p t c ) i fq 鲥g t m i n mo rq 慨 t 咖【i l i ， 主动队列管理算法退化为d r o p t a i l 。导致后续大量的数据包连续被丢弃，t c p 发送端多次 进入慢启动。 仿真结果的其它相关数据如表5 1 ，除端到端时延略大于静态a r e d 外，动态a r e d 的各项性能均优于其它队列算法。 表5 1 d r o p t a i l 未经过参数平滑 静态 处理的动态动态a r e d a r e d a r e d 端到端时延( m s ) 7 5 4 64 6 2 34 3 3 44 8 0 2 时延抖动( m s ) 2 5 2 91 2 3 11 3 0 41 0 6 7 平均吞吐j ( m b p s ) 5 7 56 0 45 5 26 3 5 本实验验证了动态a p e d 中