基于模糊控制理论主动队列管理算法的研究

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1、摘要Abstract17第2章背景知识17第2章背景知识第2章背景知识2.1主动队列管理的介绍自1988年以来，研究人员做了大量的关于网络性能的研究，而且得到了如下的结论：尽管TCP拥塞控制机制是必须的，但不是在所有的网络环境下都能够提供良好的服务质量。因此，在路由器中添加某些机制是必要的，这样才能较好地避免拥塞或者从严重的拥塞中恢复出来。主动队列管理(AQM)是由IETF提出的，其目的就是为了弥补端到端拥塞控制机制存在的缺陷。AQM算法解决的问题主要包括以下几个方面[34]：(1)在延迟和吞吐量之间保持简单的权衡，保持队列处于未满的状态是十分必要的。(2)可以吸收突发流，对于持续

2、流和间隙流进行公平的处理。(3)在队列满之前对新到达的数据包进行随机丢弃，或者在队列满的时候对缓存区的数据包随机丢弃，从而避免拥塞的发生。(4)避免多个TCP连接由于队列溢出而造成的“慢启动”状态。总之，主动队列管理算法机制对于响应流可以提供如下的优点[35]：(1)减少路由器中丢弃数据包的数量。突发数据流是一个分组网络中不可避免的方面。当路由器中所有的队列空间处于“稳态”或者路由器的空间不足时，路由器将没有缓存突发流的能力。通过保持小的平均队列长度，主动队列管理不需要丢弃数据包就具有很强的吸收突发流的能力。如果没有主动队列管理，在队列溢出时很多数据包将会被丢弃。这一点是我们所不希

3、望的，原因有几点：首先，伴随着共有队列和弃尾规则，不必要的全局同步现象可能导致低的平均链路利用率，从而降低网络吞吐量。其次，与单纯的丢弃数据包相比，TCP从丢弃突发数据包的状态恢复过来是很困难的。最后，不必要的丢包代表着带宽的浪费。(2)提供低延迟的交互式服务。通过保持队列长度在一个较小值附近，队列管理将会减少数据流的延迟，这对于交互式应用(例如，短距离Web传输，Telnet流，交互式音频会议等)是极其重要的。(3)避免死锁行为。通过保证将要到达的数据包总是有一个可利用的缓存区，主动队列管理可以防止死锁的发生。同样，它还可以阻止路由器对于低带宽高突发数据流的偏袒。明显地，死锁是不

4、希望出现的状况，因为这种情况对于多组数据流是不公平的。17第2章背景知识2.2中间节点路由器中的AQM算法2.2.1RED算法随机早期检测(RandomEarlyDetection，RED)[12]是路由器中的一种AQM算法，它提供了网络性能的很多优点。与传统的当路由缓存区满之后才丢包的队列算法相比，RED算法以一定的概率对将要到达的数据包进行丢弃。丢弃概率随着估算的平均队列大小的增长而增加。RED响应于平均队列长度，而不是瞬时队列长度。因此，如果队列几乎处于空闲状态，RED算法将不会丢包。另一方面，如果队列已经处于相当满的状态，并指示了拥塞，那么将要到来的数据包将以更大的概率被丢

5、弃。RED算法自身包括两个主要的部分：估计平均队列长度的大小和决策将要到达的数据包是否被丢弃。(1)估计平均队列的大小。RED在转发路径中使用了一种简单的指数加权滑动平均的方法来计算平均队列长度……………………(2.1)其中，为目前队列长度的权值，，q是当前队列长度。由于网络流量是突发的或者短时拥塞，实际队列大小可能会瞬时增加，如果太小，那么对于实际队列长度大小变化的响应会太慢；如果太大，将不会滤除网关的暂态拥塞。(2)计算丢弃概率。这是算法的第二部分，RED决定是否要丢弃将要到达的数据包，从而有效地控制平均队列队列长度。RED有两个参数(最小阈值)和(最大阈值)。当平均队列大小低

6、于时，没有数据包丢失；当平均队列长度高于时，丢弃所有的数据包；当平均队列大小介于两者之间时，数据包将以概率P进行丢弃，如下式所示。………………(2.2a)…………………(2.2b)其中，为最大丢弃概率，count为从上次丢包开始进入队列的数据包个数。RED算法有效地控制了队列长度，同时吸收突发数据包而不是对数据包进行丢弃，而且RED算法的随机性打破了导致死锁的全局同步现象。2.2.2ARED算法ARED算法[13]是针对RED参数敏感的问题而设计的，一般ARED的设计可以总结为基于链路速率自动地设置的值并根据测量的队列长度自适应的调节，从而将平均队列长度维持在和之间。如果平均队列长

7、度低于，则证明拥塞控制比较激进，需要计算一个保守的；如果平均队列长度高于,则说明拥塞控制的比较保守，需要计算一个较激进的。17第2章背景知识ARED是对RED稍做改动的一种算法，它的鲁棒性源于它慢且频繁地对进行调节，为了确保ARED的性能在过渡期不会急剧下降，严格的将限制在[0.01，0.5]之间。这确保了过渡期RED的整体性能被接受，即使平均队列长度可能不在一个目标范围内，平均延时和吞吐量也只会有轻微的波动。2.2.3SRED算法与RED不同的是，SRED算法[14