文档介绍：A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University
for Master Degree of Engineering
ANALYSIS AND DESIGN OF DISTRIBUTED
CONGESTION CONTROL ALGORITHM BASED
ON QUEUE MANAGEMENT
Author : WANG Hao
Specialty : Control Theory and Control Engineering
Advisor : Prof. TIAN Zuohua
School of Electronics and Electric Engineering
Shanghai Jiao Tong University
Shanghai,
January, 2010
上海交通大学硕士学位论文
基于队列管理的分布式拥塞控制算法分析设计
摘要
随着 的飞速发展,网络规模不断扩大,结构日趋复杂,网络
带宽、用户数量和网络业务不断增长。如何有效地管理网络资源,避免
和控制网络拥塞,保证网络服务质量是通信网络研究的重要课题。TCP
拥塞控制方法作用于源端,它根据网络丢包、延时等信息判别拥塞状况,
但是其作用终究有限,完全依赖源端系统很难满足服务质量(QoS)的需
求。鉴于中间节点(路由器等)包含更多的网络信息,所以引入链路算法以
协助端到端拥塞控制。主动队列管理(AQM)算法在网络中间节点中对拥
塞进行早期检测。通过将路由器中的队列控制在较小的数值,减小数据
包排队时延和抖动的同时,可维持较高的链路利用率。
本文对队列管理算法进行了深入的研究分析,对 AQM 的相关算法进
行了改进,并提出新的 AQM 策略。在 NS2 中的仿真实验结果验证了本
文算法的有效性。本文的主要研究工作如下:
(1)针对随机指数标记算法(REM)存在感知拥塞能力不足,以及适应
性差等问题,分析了 REM 的控制属性,提出了两种改进的 REM 算法,
分别为:基于加强型价格的 REM 算法(EPREM)和参数动态调整的 REM
算法(DREM)。EPREM 在原价格中增加数据包到达速率的变化率,得到
PID 型的改进价格,提高了队列长度的收敛速度,增强了 TCP/AQM 系统
的响应能力。DREM 引入队列因子和负载因子的概念,对队列调整状态
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进行实时划分,并在线调整算法的关键参数,以协助基于“和式增加积式
减少(AIMD)”规则的 TCP 拥塞控制策略。仿真实验表明,DREM 增强了
AQM 算法的适应性。
(2)针对传统 AQM 算法无法适应动态网络环境的问题,提出了一种
基于双模控制的 AQM 算法(DMC)。该算法采用分段控制策略,在瞬时队
列偏差大于阈值时,采用模糊控制,反之采用 REM 控制,从而将模糊控
制响应迅速、适应性强和 REM 稳态性能好的优点结合起来。仿真实验表
明 DMC 是一种扩展性好、适应性强的 AQM 算法。
(3)由于难以建立 TCP/AQM 系统的精确模型,结合神经元控制和模
糊控制的优点,提出了模糊增益神经元主动队列管理算法(FN-AQM)。算
法同时采用路由器队列长度以及数据流速作为拥塞度量,在检测当前拥
塞信息的同时,预测未来拥塞的状况。利用神经元计算数据包标记概率,
采用有监督的 Hebb 学****规则在线调整加权系数,同时设计模糊控制器动
态调整神经元增益,以获得更好的控制性能。FN-AQM 具有结构简单、
易于实现、自适应能力强等优点。
(4)针对传统 AQM 算法在动态网络中性能差的问题,提出了一种基
于滑模变结构控制的鲁棒主动队列管理算法――PID-SMC。采用积分分
离 PID 滑模面,和改进的趋近率,以改善控制品质并减小抖振。仿真实
验验证了本文算法的有效性。
(5)针对现有 AQM 算法在大时滞广域网中队列大幅振荡、链路利用
率低下的问题,提出了大时滞拥塞控制算法(ISC)。ISC 利用 Smith 预估
器补偿往返时延(RTT),并利用内模控制(IMC)方法设计得到 PI 反馈控制
器。仿真实验表明,ISC 能够维持稳定的队列长度和较高的链路利用率。
在 ISC 基础上,采用带有抗干扰环节的改进型 Smith 预估器,提出了一
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上海交通大学硕士学位论文
种二自由度缓存管理策略(TRBM)。利用内模控制原理设计系统的反