浅论互联网拥塞控制算法若干问题研究

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1、东南大学博士学位论文互联网拥塞控制算法若干问题研究姓名：钱艳平申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：李奇20051001捕要摘要自从互联网(Internct)诞生以来，网络资源和网络流量分布的不均衡使得拥塞问题一直困扰着其发展．伴随着网络规模的日益扩大和应用类型的丰富，网络拥塞也变得越来越严重．虽然实践证明基于源端的TCP拥塞控制机制能够有效防止拥塞崩溃地发生，但是TCP拥塞控制机制仍然面临着许多新的危机。因此，互联网的发展要求网络本身也必须参与到拥塞控制中去。目前，基于源端的TCP拥塞控制机制和基于网络端的拥塞避免机制

2、两者相结合已经成为解决拥塞控制问题的一个主要途径之一，形成了计算机网络，通信与自动控制等几个交叉学科一个新的研究热点。Iatcmct拥塞控制可以看作是一个具有通信时延的非线性动态反馈系统。本文着重讨论基于网络端的拥塞避免机制中的主动队列管理算法设计和网络拥塞控制系统的稳定性分析，主要的研究成果如下：(1)提出了一种鲁棒非线性主动队列管理算法，解决了中小规模网络中存在的传输时延和网络参数时变对系统性能的影响问题。首先，由流体流模型推导出网络模型为参数区间不确定一阶时滞线性系统。其次，在确定使闭环系统稳定的非线性主动队列管理算法控制参数集

3、基础上，利用遗传算法获得了基于改进误差绝对值时间积分指标最优的控制参数，解决了主动队列管理算法参数设置难题。基于扩展到时滞系统的棱边定理，设计了鲁棒非线性主动队列管理算法。仿真结果表明该算法具有良好的控制性能，对参数区间不确定系统有较好鲁棒性。(2)提出了一种简单易用的预测PI拥塞控制算法，解决了大规模网络中存在的大时滞问题。首先，利用Smith预估器补偿时延滞后，按Dahlia算法设计控制器．将控制器参数和预估对象模型参数相结合，设计了预测PI拥塞控制算法。其次，分析了系统鲁棒稳定性和存在链路容量干扰时瓶颈队列的暂态、稳态特性。通过

4、仿真验证了预测PI算法控制性能优于RED、PI算法，能够适用于存在较大时延的网络．(3)提出了一种预测PI拥塞控制算法的参数自适应机制来处理网络参数的较大变化问题．首先，利用预测P1算法控制参数与网络参数的确定关系，通过对网络参数的在线估计来实时调节控制参数，使得控制器能够适应网络参数的变化。其次，结合自适应机制分析了整个系统的稳定性和给出了自适应参数的设定原则。仿真结果显示自适应预测PI算法具有较强的鲁棒性，能够适应网络参数的较大变化。(4)提出了一种基于速率的增强自适应虚拟队列管理算法(EAVQ)．EAVQ引入主从拥塞尺度和期望链

5、路利用比的概念，以输入速率为主要拥塞尺度，保留了AVQ响应速度较快、低队列时延、高链路利用率等优点：同时，以期望链路利用比为辅助拥塞准则，设计了一种基于速率的期望链路利用比自适应机制，解决了AVQ存在着参数设定困难、队列抗干扰能力较弱及存在一定的链路损失等缺点，在改善系统动态性能的同时保证了链路容量的充分利用。在线性化基础上给出了一般网络结构下TCP／EAVQ系统的局部稳定条件．通过仿真验证了EAVQ具有极高的链路利用率，极低的分组丢弃率，受控的队列长度．快速的动态响应和对网络参数具有鲁棒性等优点．(5)对一类原始一对偶拥塞控制算法在

6、无时延和考虑时延两种情形下分析了系统的稳定性。基于优化理论框架，提出了一个带边界限制的原始一对偶统一拥塞控制模型，应用该模型I东南大学博士学位论文可以描述当前一类基于优化理论的网络拥塞控制算法。同时，在考虑边界影响下，给出了系统唯一平衡点的存在条件，得到了一般网络结构下该模型在没有往返时延和存在往返时延两种情况下的稳定性条件。最后，通过一个TCP／E-RED示例验证了理论分析结果的正确性。关键词：互联网，网络拥塞控制，TCP协议，主动队列管理，稳定性，优化理论ⅡAbstractThedevelopmentofInternethasbe

7、enencumberedwiththecongestionproblemcausedbytheunbalancedistributionofthenetworkresourcesandthenetworkflowssinceitsnaissance，Thenetworkcongestionbecomesmoreandmoreseriousbcc,aaMoftheincreasinglyexpansionofIntemet础andtherapidgrowthofappliedcategories．啊锵$UC,CfSSofInteract

8、hasalreadyproventhatTCPcongestioncontrolmechanismbasedOnSourcenodesiseffectiveinthepreventionofcongestioncolhp