专利名称：基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法
技术领域：
本发明属于路由器队列管理和拥塞的控制方法，特别是一种基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法，属于基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法的创新技术。
背景技术：
以TCP/IP协议为基础的Internet自从90年代以来，已经成为全球性的信息基础设施。网络中众多的数据流在路由器交汇，给路由器带来了极大的负担。虽然随着科技发展，网络设备的能力不断增强，网络带宽持续增长，但硬件的发展总是滞后于需求的增长，当某时刻对网络任一资源的需求超过了该资源的可用总量时，就会在该资源处形成瓶颈，致使排队分组无法及时发送，缓存队列溢出，分组被丢弃，网络发生拥塞。拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源(链路带宽、存储空间和处理器能力等)的需求超过了其固有容量，从而直接导致分组丢失率提高，端到端传输时延增加和吞吐量等服务质量(QOS)性能指标下降，严重影响带宽、缓存等网络资源的利用率，甚至可能使整个网络系统发生崩溃。此外硬件的瓶颈效应和参数(如激活的连接数、回路往返时间)的动态变化，还会使得拥塞愈发严重、复杂。解决网络拥塞问题早已成为Internet发展中必须要面临的问题。
TCP拥塞控制方法运行在源端也叫源方法，它根据反馈信息，调整源端发送速率，从80年代至今，TCP拥塞控制方法已经经历了TCPTacho、TCP Reno、Sack、New Reno和Vegas等多个版本的增强与改进。随着网络规模的日趋庞大，结构的日趋复杂，仅仅依靠端到端的TCP拥塞控制是不够的，网络的中间节点——路由器，也应该参与到资源的管理和控制中来。IP拥塞控制方法运行在网络节点，也叫链路方法，它能检测拥塞的发生，采取一定的措施缓减拥塞，并产生拥塞反馈信息使源端采取措施避免拥塞恶化。AQM作为IP拥塞控制方法，是当前拥塞控制的研究热点；在AQM机制下的路由器能早期探测可能发生的拥塞，对分组进行标记或丢弃，源端接受到标记或丢弃分组的反馈后，在队列溢出和丢包前降低发送速率，从而避免了队列溢出。AQM能维持较小的队列长度，降低丢包率，提高队列利用率，在高吞吐量和低时延间取得平衡。
随机早期检测作为AQM的唯一候选方法，并得到路由器产商，RED在路由器上监控数据包的平均排队长度，发现拥塞迫近后，随机地主动标记或丢弃数据包来告知源端降低发送速率。与常用的尾丢弃相比，RED方法引入了2个新机制1)满队列前用概率机制提前丢弃分组，解决满队列问题；2)用平均队长而不是即时队长来调整丢弃概率，尽可能吸收短暂突发流，避免全局同步。RED的有效性已经过了一系列实践的验证，但它没有完全解决全局同步，而且当瞬时队长大于平均队长时，缓存耗尽后就会工作在尾丢弃模式。
RED的三大缺陷为1)对参数过于敏感，难以找到适应任何环境的参数，参数的微小变化会给主体性能带来很大影响。而且当网络环境变化时，原本适应的参数可能不再适应新环境，带来不利影响；2)存在延时抖动。比如重载时，容易产生延时抖动，导致网络吞吐量急剧下降；3)无区分服务，无法提供有效的、完全的公平性保障。针对RED的缺陷，已经出现了很多改进方法。WRED通过为不同的业务等级设定不同的最大丢弃概率pmax来提供不同的服务质量。FRED采用“每活跃流记账”(per-active-flow accounting)的方式来管理队列，将网络中的流大致分为非适应流、脆弱流和强壮流，只向有较多报文在缓冲区排队的流发出拥塞通知，所以FRED可以起到公平分配带宽，保护脆弱流的作用。但这些方法都是启发式的缺乏系统性。基于经典控制理论的控制模型的引入解决了队列管理方法缺乏系统性的问题，比如V Misra等人在2000年基于流体理论提出的网络模型，该模型用忽略了TCP最大窗口限制、往返时延(RTT)差异等一系列环节后，恰当描述了TCP传输流的行为，为研究人员广为采用。在这个模型的基础上，出现了对RED方法稳定性分析、PI/PID控制器、鲁棒控制器等AQM新技术的研究。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能够适应于网络负载时变特性、鲁棒性强的基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法。本发明在负载多变的网络环境下可使系统的性能得到明显改善数据包的丢弃率降低，网络系统的吞吐量提高，稳定性增强。
本发明的技术方案是本发明基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法，包括有如下步骤 步骤1)初始化 预设wq、pmax、minlow、minhigh、maxlow、maxlow、，令count＝-1、qavg＝0。
其中，wq为计算平均队长时所用的权值； pmax为最大丢弃概率； 最小阈值为区间(minlow，minhigh)，即minlow为最小阈值的下界，minhigh为最小阈值的上界； 最大阈值为区间(maxlow，maxhigh)，即maxlow为最小阈值的下界，maxhigh为最小阈值的上界； count代表连续成功传输的分组数； qavg代表平均队长； 步骤2)在路由器建立一个基于IRED方法的控制器； 步骤3)等待新分组的到来。当新分组到来时，如果此时队列为空，到执行骤4)；否则执行步骤5)； 步骤4)计算平均队长qavg＝(1-wq)m×qavg； 并将队列为空的起始时间q_time设为当前时间time，即q_time＝time； 其中，m代表空队列持续的时间，m＝f(time-q_time)； 步骤5)计算平均队长qavg＝(1-wq)qavg+wq×q； 其中，q为当前队长。
步骤6)由qavg计算丢包率pa。如果qavg≤minlow，转去步骤7)； 如果qavg≥maxhigh，转去步骤8)；否则转去步骤9)； 步骤7)数据包入列，pa＝0，count＝0，转到步骤14)； 步骤8)丢弃数据包，pa＝1，count＝-1，转到步骤14)； 步骤9)如果maxlow≤qavg＜maxhigh，转去步骤10)；如果minhigh≤qavg＜maxlow，转去步骤11)；如果minlow＜qavg＜minhigh，转去步骤12)； 步骤10)转到步骤13)； 步骤11) ，转到步骤13)； 步骤12)转到步骤13)； 步骤13)以pa标记数据包，count++； 步骤14)转至步骤3)，重复执行步骤3)到13)，直至结束。
上述最小阈值和最大阈值分别都是两个连续的区间，，即(minlow，minhigh)和(maxlow，maxhigh)；并分别可以服从于的不同概率分布；当只选取区间的边界值时，阈值成为了两个间隔的点，从而得到间隔式的RED或IRED的方法。上述IRED拥有五个工作区 1)完全吸收区(AAI)系统轻度拥塞或不拥塞时，工作在此区；此时，路由器缓存的利用率较低，系统的吞吐量高； 2)最小阈值区(MINI)系统轻度拥塞时，工作于该区。此时，路由器缓存的利用率较低，系统的吞吐量高；这个工作区的引入通常会使IRED比RED早丢包，但IRED在该区的丢弃率很小，增加幅度也很小。当一个TCP连接新建后常会发送大量数据包，使网络吞吐量急剧下降，minth工作区的引入与TCP拥塞控制的慢启动配合可降低新建立的连接产生的突发通信量对网络性能的影响； 3)线性丢弃区(LDI)工作于该区时，系统处于拥塞适中状态，路由器缓存的利用率和系统的吞吐量之间能大致平衡； 4)最大阈值区(MAXI)系统重度拥塞时，工作于该区。此时，路由器缓存的利用率较高，系统的吞吐量低。该区的引入突破了RED中pmax的限制，使pb不必突变为1，使控制更加平稳、高效； 5)直接丢弃区(DDI)网络完全拥塞时，工作于该区。直接丢弃进入路由器的任何数据包，路由器缓存的利用率很高，系统的吞吐量很低。
当拥塞控制策略选择IRED时，在最小阈值区、线性丢弃区和最大阈值区，整个拥塞控制系统拥有不同的稳定裕量，其中线性丢弃区的稳定裕量最小，最小阈值区和最大阈值区的稳定裕量相对较大；在线性丢弃区，IRED用较小的稳定裕量，换来更严厉的控制，使系统更快地从拥塞态返回适度拥塞的最佳运行状态；在最小阈值区和最大阈值区，源端分别工作于慢启动和拥塞避免阶段，系统的不稳定性增加，IRED正好能为控制系统提供相对较大的稳定裕量。
本发明提出了一种面向负载多变的网络环境的路由器端间隔式RED方法，克服了现有RED方法对参数设置和网络环境的过分敏感，将RED中的阈值从一个点改进为一个区间，得到了新的间隔式RED方法，该方法获得了更强的鲁棒性，能在负载多变的网络环境下取得更好的控制。与RED方法相比，路由器使用该方法进行拥塞控制，系统的性能可得到明显改善数据包的丢弃率降低，网络系统的吞吐量提高，稳定性增强。本发明是一种性能优良，方便实用的基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法。
图1为本发明AQM控制框图； 图2为本发明阈值的改进设置图； 图3为本发明间隔式RED方法的临时丢弃率pb与平均队长qavg关系图 图4为本发明间隔式RED方法流程图； 图5为本发明网络拓扑图；
具体实施例方式 现有文献基于流体理论给出了TCP流量控制的非线性模型 其中，各参数的物理意义为W为TCP期望窗口(单位包)；q为期望队长(包)；R为往返时间(秒)；C为链路容量(包/秒)；N为负载因子，即TCP连接数；p为丢弃率。
用小信号理论在稳态工作点将该非线性模型线性化，并结合路由器上的AQM方法，结合经典控制理论，将TCP/AQM描述为反馈控制系统，如图1所示。即AQM控制器用概率p来标记或丢弃分组，产生控制信号，终端加以响应调节自身发送窗口的大小，使队长维持在较小值，拥塞得到有效预防和控制。系统的开环传递函数如图1，描述了AQM控制器如何通过改变p(t)来影响q(t)。
(1) 其中， 在AQM方法的设计中，考虑到网络环境的复杂多变，特别是负载的时变特性，而RED方法又极为敏感于参数设置和网络环境的变化，所以将RED中的阈值从一个点改进为一个区间，得到了间隔式RED(Interval RED，IRED)方法。IRED控制器的设计如下 步骤1)在RED方法的框架下，如图2，分别将RED的最小阈值minth和最大阈值maxth设置为一个区间，并且最小阈值和最大阈值区间中的点都服从某种的概率分布。当选取阈值区间的上下边界点(服从均匀分布)时，可得到方法的最简形式。
步骤2)对最小阈值和最大阈值进行组合，得到四组阈值组合(minlow，maxlow)、(minlow，maxhigh)、(minhigh，maxlow)、(minhigh，maxhigh)。
这四组阈值可分别对应四个RED控制器REDll、REDlh、REDhl和REDhh，其丢包率分别是pll、plh、phl和phh。
步骤3)这四个丢弃率的平均值就是本发明中方法的临时丢弃率 图3给出了pb与qavg的关系图，显然在不同的工作区，控制器对平均队长qavg变化的响应是不一样的 ●AAI代表完全吸收区，此时，qavg∈(0，minlow)，到达路由器的数据包全部都可以进入队列，即pb＝0； ●MINI代表最小阈值区，此时，qavg∈(minlow，minhigh)，最小阈值在此区间内取值，到达数据包的丢弃率为 ●LDI代表线性丢弃区，此时，qavg∈(minhigh，maxlow)，到达数据包的丢弃率为 ●MAXI代表最大阈值区，此时，qavg∈(maxlow，maxhigh)，最大阈值在此区间内取值，到达数据包的丢弃率为 ●DDI代表直接丢弃区，此时，qavg∈(maxhigh，∞)，到达的数据包全部丢弃，即pb＝1。
步骤4)最终丢弃率pa 步骤5)AQM控制器 其中，(δ是采样频率)； 系统稳定性定理若k和Lired的取值满足 其中 当满足N＞N-，Ro＜R+时，TCP/IRED拥塞控制系统闭环稳定，(0＜η≤0.1)。
在IRED控制器的设计中，阈值区间的边界值minlow、maxlow、minhigh和maxhigh的设置，不仅决定的IRED的控制性能和拥塞控制系统的稳定性，还决定了系统在不同工作区间时的稳定裕量。
●MINI相角裕量，
幅值裕量， ●LDI
●MAXI
图4为IRED方法的流程图。
IRED方法可在NS-2仿真平台上实现，并可进行性能测试。NS-2仿真平台(Network Simulator-2)是近年来对网络协议进行评估与研究的一个主流的模拟工具，作为一个开源软件，它得到了极为广泛的使用，成为通信和计算机网络领域的协议研究的主流平台之一。它采用开放体系结构，有大量的协议库支持，广泛应用于局域网、广域网、蜂窝网和卫星网络模拟。
本发明中的仿真使用2.31版的NS-2平台，操作系统为UBUNTU7.04。采用n个FTP业务源和m个HTTP业务源来模拟实际应用中网络负载情况见图5所示，所有业务源与路由器r1之间的链路容量为1Mbps，延时为160ms到240ms之间的随机值；瓶颈链路位于路由器r1和r 2之间，链路容量为15Mbps，延时40ms；除路由器r1与r2之间的链接以外，其余链接均使用DropTail；路由器r1上的缓存为800个包(分组缺省大小为500bytes)，各个业务源的分组设置为500bytes。
以下一系列的实验说明IRED的参数设置对负载量的敏感度较低。实验的前提为预设4种方法的参数，只改变负载量，观察4种方法在固定参数设置的情况下对不同负载量的敏感度。
●IRED的参数设置为minlow＝150，minhigh＝155，maxlow＝700，maxhigh＝705，pmax＝0.1。
●RED的参数设置为minth＝150，maxth＝700，pmax＝0.1，wq＝0.00000133。
●GENTLE_RED的参数设置为minth＝150，maxth＝700，pmax＝0.1，wq＝0.00000133。
实验一 设置20个FTP业务源和60个HTTP业务源，所有业务源从0s开始工作，实验时间为200s。路由器r1和r2之间的链路采用IRED、RED和GENTLE_RED 3种方法，分别进行3次实验。
并且每增加10个FTP业务源和30个HTTP业务源就进行一次4种方法的比较实验，一直到把负载量增加到180个FTP业务源和540个HTTP业务源。可以得到如下表1组实验数据。
表1不同负载情况下IRED、RED和GENTLE_RED的性能指标
可见IRED方法的性能总体上要优于RED和GENTLE_RED，特别是在负载量较轻和重载的时候占有明显的优势。从平均值的结果，进一步验证了使用IRED方法能够适应大部分的负载情况，获得较好的性能；IRED对负载的敏感度比RED和GENTLE_RED低。在大部分的负载环境下，IRED仍然能够获得较好的性能。
实验二 拓扑结构仍旧采用实验一的结构，设置60个FTP业务流和180个HTTP业务流，且它们之间的带宽为15Mbp，路由器r1和路由器r2之间的瓶颈带宽在5Mbps到30Mbps间，每隔2.5Mbps做一组实验，共11组。实验时间均为300秒。最后得出11组实验数据的平均值，如下表2。
表2不同瓶颈带宽下的IRED、RED和GENTLE_RED的性能指标
可见，在大多数的带宽情况中，RED和GENTLE_RED方法只适应了少部分的带宽情况，而IRED方法则适应了大部分情况，由实验数据平均值可进一步验证，IRED对不同带宽的敏感度要比RED和GENTLE_RED要低。
实验三 拓扑结构仍旧采用实验一的结构，为了比较IRED和RED和GENTLE_RED方法在负载量发生突变的时候的敏感度，可用以下一系列的实验。拓扑结构依旧使用如图1所示的结构，瓶颈带宽为15Mbps实验时间设定为300秒，假设在120秒的时候，FTP业务源的负载量突然发生变化，而HTTP业务源的负载量不变，选取4种突变的情况进行实验，得出如下4组实验数据，并计算出4组数据的平均值，详细数据如下表3。
表3负载量突变的情况下IRED、RED和GENTLE_RED的性能指标
可见，在负载突变情况中，IRED比RED和GENTLE_RED有明显优势。根据4组突变实验数据的平均值，可进一步证明，在大多数的负载量突变的情况中，IRED方法比RED和GENTLE_RED方法的性能更佳。
权利要求
1、一种基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法，其特征在于包括有如下步骤
步骤1)初始化
预设wq、pmax、minlow、minhigh、maxlow、maxhigh、count、qavg；且count＝-1、qavg＝0。
其中，wq为计算平均队长时所用的权值；
pmax为最大丢弃概率；
最小阈值为区间(min1ow，minhigh)，即minlow为最小阈值的下界，minhigh为最小阈值的上界；
最大阈值为区间(maxlow，maxhigh)，即maxlow为最小阈值的下界，maxhigh为最小阈值的上界；
count代表连续成功传输的分组数；
qavg代表平均队长；
步骤2)在路由器建立一个基于IRED方法的控制器；
步骤3)等待新分组的到来。当新分组到来时，如果此时队列为空，到执行骤4)；否则执行步骤5)；
步骤4)计算平均队长qavg＝(1-wq)m×qavg；
并将队列为空的起始时间q_time设为当前时间time，即q_time＝time；
其中，m代表空队列持续的时间，m＝f(time-q_time)；
步骤5)计算平均队长qavgqavg＝(1-wq)qavg+wq×q；
其中，q为当前队长。
步骤6)由qavg计算丢包率pa。如果qavg≤minlow，转去步骤7)；如果qavg≥maxhigh，转去步骤8)；否则转去步骤9)；
步骤7)数据包入列，pa＝0，count＝0，转到步骤14)；
步骤8)丢弃数据包，pa＝1，count＝-1，转到步骤14)；
步骤9)如果maxlow≤qavg＜maxhigh，转去步骤10)；如果minhigh≤qavg＜maxlow，转去步骤11)；如果minlow＜qavg＜minhigh，转去步骤12)；
步骤10)转到步骤13)；
其中，pb为临时丢弃概率。
步骤11)
转到
步骤13)；
步骤12)转到步骤13)；
步骤13)以pa标记数据包，count++；
步骤14)转至步骤3)，重复执行步骤3)到13)，直至结束。
2、根据权利要求1所述的基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法，其特征在于上述最小阈值和最大阈值分别都是两个连续的区间，即(minlow，minhigh)和(maxlow，maxhigh)；并分别可以服从于的不同概率分布；当只选取区间的边界值时，阈值成为了两个间隔的点，从而得到间隔式的RED即IRED的方法。
3、根据权利要求1所述的基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法，其特征在于上述IRED拥有五个工作区
1)完全吸收区(AAI)系统轻度拥塞或不拥塞时，工作在此区；此时，路由器缓存的利用率较低，系统的吞吐量高；
2)最小阈值区(MI NI)系统轻度拥塞时，工作于该区。此时，路由器缓存的利用率较低，系统的吞吐量高；这个工作区的引入通常会使IRED比RED早丢包，但IRED在该区的丢弃率很小，增加幅度也很小。当一个TCP连接新建后常会发送大量数据包，使网络吞吐量急剧下降，minth工作区的引入与TCP拥塞控制的慢启动配合可降低新建立的连接产生的突发通信量对网络性能的影响；
3)线性丢弃区(LDI)工作于该区时，系统处于拥塞适中状态，路由器缓存的利用率和系统的吞吐量之间能大致平衡；
4)最大阈值区(MAXI)系统重度拥塞时，工作于该区。此时，路由器缓存的利用率较高，系统的吞吐量低。该区的引入突破了RED中pmax的限制，使pb不必突变为1，使控制更加平稳、高效；
5)直接丢弃区(DDI)网络完全拥塞时，工作于该区。直接丢弃进入路由器的任何数据包，路由器缓存的利用率很高，系统的吞吐量很低。
4、根据权利要求1所述的基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法，其特征在于当拥塞控制策略选择IRED时，在最小阈值区、线性丢弃区和最大阈值区，整个拥塞控制系统拥有不同的稳定裕量，其中线性丢弃区的稳定裕量最小，最小阈值区和最大阈值区的稳定裕量相对较大；在线性丢弃区，IRED用较小的稳定裕量，换来更严厉的控制，使系统更快地从拥塞态返回适度拥塞的最佳运行状态；在最小阈值区和最大阈值区，源端分别工作于慢启动和拥塞避免阶段，系统的不稳定性增加，IRED正好能为控制系统提供相对较大的稳定裕量。
全文摘要
本发明是一种基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法。本发明克服了现有RED方法对参数设置和网络环境的过分敏感，将RED中的阈值从一个点改进为一个区间，得到了新的间隔式RED方法，即IRED(Interval IRED)算法，该方法获得了更强的鲁棒性，能在负载多变的网络环境下取得更好的控制。与RED方法相比，路由器使用该方法进行拥塞控制，系统的性能可得到明显改善数据包的丢弃率降低，网络系统的吞吐量提高，稳定性增强。本发明是一种性能优良，方便实用的基于负载多变的路由器间隔式拥塞控制方法。
文档编号H04L12/56GK101286929SQ20081002843
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月30日 优先权日2008年5月30日
发明者治 刘, 云 章, 杰 倪, 文俊朝 申请人:广东工业大学