專利名稱：基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于路由器隊(duì)列管理和擁塞的控制方法，特別是一種基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法，屬于基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法的創(chuàng)新技術(shù)。

背景技術(shù)：
以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的Internet自從90年代以來(lái)，已經(jīng)成為全球性的信息基礎(chǔ)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)中眾多的數(shù)據(jù)流在路由器交匯，給路由器帶來(lái)了極大的負(fù)擔(dān)。雖然隨著科技發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能力不斷增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)帶寬持續(xù)增長(zhǎng)，但硬件的發(fā)展總是滯后于需求的增長(zhǎng)，當(dāng)某時(shí)刻對(duì)網(wǎng)絡(luò)任一資源的需求超過(guò)了該資源的可用總量時(shí)，就會(huì)在該資源處形成瓶頸，致使排隊(duì)分組無(wú)法及時(shí)發(fā)送，緩存隊(duì)列溢出，分組被丟棄，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。擁塞是一種持續(xù)過(guò)載的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，此時(shí)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源(鏈路帶寬、存儲(chǔ)空間和處理器能力等)的需求超過(guò)了其固有容量，從而直接導(dǎo)致分組丟失率提高，端到端傳輸時(shí)延增加和吞吐量等服務(wù)質(zhì)量(QOS)性能指標(biāo)下降，嚴(yán)重影響帶寬、緩存等網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，甚至可能使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生崩潰。此外硬件的瓶頸效應(yīng)和參數(shù)(如激活的連接數(shù)、回路往返時(shí)間)的動(dòng)態(tài)變化，還會(huì)使得擁塞愈發(fā)嚴(yán)重、復(fù)雜。解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題早已成為Internet發(fā)展中必須要面臨的問(wèn)題。
TCP擁塞控制方法運(yùn)行在源端也叫源方法，它根據(jù)反饋信息，調(diào)整源端發(fā)送速率，從80年代至今，TCP擁塞控制方法已經(jīng)經(jīng)歷了TCPTacho、TCP Reno、Sack、New Reno和Vegas等多個(gè)版本的增強(qiáng)與改進(jìn)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日趨龐大，結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，僅僅依靠端到端的TCP擁塞控制是不夠的，網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)——路由器，也應(yīng)該參與到資源的管理和控制中來(lái)。IP擁塞控制方法運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，也叫鏈路方法，它能檢測(cè)擁塞的發(fā)生，采取一定的措施緩減擁塞，并產(chǎn)生擁塞反饋信息使源端采取措施避免擁塞惡化。AQM作為IP擁塞控制方法，是當(dāng)前擁塞控制的研究熱點(diǎn)；在AQM機(jī)制下的路由器能早期探測(cè)可能發(fā)生的擁塞，對(duì)分組進(jìn)行標(biāo)記或丟棄，源端接受到標(biāo)記或丟棄分組的反饋后，在隊(duì)列溢出和丟包前降低發(fā)送速率，從而避免了隊(duì)列溢出。AQM能維持較小的隊(duì)列長(zhǎng)度，降低丟包率，提高隊(duì)列利用率，在高吞吐量和低時(shí)延間取得平衡。
隨機(jī)早期檢測(cè)作為AQM的唯一候選方法，并得到路由器產(chǎn)商，RED在路由器上監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包的平均排隊(duì)長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)擁塞迫近后，隨機(jī)地主動(dòng)標(biāo)記或丟棄數(shù)據(jù)包來(lái)告知源端降低發(fā)送速率。與常用的尾丟棄相比，RED方法引入了2個(gè)新機(jī)制1)滿隊(duì)列前用概率機(jī)制提前丟棄分組，解決滿隊(duì)列問(wèn)題；2)用平均隊(duì)長(zhǎng)而不是即時(shí)隊(duì)長(zhǎng)來(lái)調(diào)整丟棄概率，盡可能吸收短暫突發(fā)流，避免全局同步。RED的有效性已經(jīng)過(guò)了一系列實(shí)踐的驗(yàn)證，但它沒(méi)有完全解決全局同步，而且當(dāng)瞬時(shí)隊(duì)長(zhǎng)大于平均隊(duì)長(zhǎng)時(shí)，緩存耗盡后就會(huì)工作在尾丟棄模式。
RED的三大缺陷為1)對(duì)參數(shù)過(guò)于敏感，難以找到適應(yīng)任何環(huán)境的參數(shù)，參數(shù)的微小變化會(huì)給主體性能帶來(lái)很大影響。而且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化時(shí)，原本適應(yīng)的參數(shù)可能不再適應(yīng)新環(huán)境，帶來(lái)不利影響；2)存在延時(shí)抖動(dòng)。比如重載時(shí)，容易產(chǎn)生延時(shí)抖動(dòng)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量急劇下降；3)無(wú)區(qū)分服務(wù)，無(wú)法提供有效的、完全的公平性保障。針對(duì)RED的缺陷，已經(jīng)出現(xiàn)了很多改進(jìn)方法。WRED通過(guò)為不同的業(yè)務(wù)等級(jí)設(shè)定不同的最大丟棄概率pmax來(lái)提供不同的服務(wù)質(zhì)量。FRED采用“每活躍流記賬”(per-active-flow accounting)的方式來(lái)管理隊(duì)列，將網(wǎng)絡(luò)中的流大致分為非適應(yīng)流、脆弱流和強(qiáng)壯流，只向有較多報(bào)文在緩沖區(qū)排隊(duì)的流發(fā)出擁塞通知，所以FRED可以起到公平分配帶寬，保護(hù)脆弱流的作用。但這些方法都是啟發(fā)式的缺乏系統(tǒng)性。基于經(jīng)典控制理論的控制模型的引入解決了隊(duì)列管理方法缺乏系統(tǒng)性的問(wèn)題，比如V Misra等人在2000年基于流體理論提出的網(wǎng)絡(luò)模型，該模型用忽略了TCP最大窗口限制、往返時(shí)延(RTT)差異等一系列環(huán)節(jié)后，恰當(dāng)描述了TCP傳輸流的行為，為研究人員廣為采用。在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了對(duì)RED方法穩(wěn)定性分析、PI/PID控制器、魯棒控制器等AQM新技術(shù)的研究。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問(wèn)題而提供一種能夠適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)變特性、魯棒性強(qiáng)的基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法。本發(fā)明在負(fù)載多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可使系統(tǒng)的性能得到明顯改善數(shù)據(jù)包的丟棄率降低，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法，包括有如下步驟 步驟1)初始化 預(yù)設(shè)wq、pmax、minlow、minhigh、maxlow、maxlow、，令count＝-1、qavg＝0。
其中，wq為計(jì)算平均隊(duì)長(zhǎng)時(shí)所用的權(quán)值； pmax為最大丟棄概率； 最小閾值為區(qū)間(minlow，minhigh)，即minlow為最小閾值的下界，minhigh為最小閾值的上界； 最大閾值為區(qū)間(maxlow，maxhigh)，即maxlow為最小閾值的下界，maxhigh為最小閾值的上界； count代表連續(xù)成功傳輸?shù)姆纸M數(shù)； qavg代表平均隊(duì)長(zhǎng)； 步驟2)在路由器建立一個(gè)基于IRED方法的控制器； 步驟3)等待新分組的到來(lái)。當(dāng)新分組到來(lái)時(shí)，如果此時(shí)隊(duì)列為空，到執(zhí)行驟4)；否則執(zhí)行步驟5)； 步驟4)計(jì)算平均隊(duì)長(zhǎng)qavg＝(1-wq)m×qavg； 并將隊(duì)列為空的起始時(shí)間q_time設(shè)為當(dāng)前時(shí)間time，即q_time＝time； 其中，m代表空隊(duì)列持續(xù)的時(shí)間，m＝f(time-q_time)； 步驟5)計(jì)算平均隊(duì)長(zhǎng)qavg＝(1-wq)qavg+wq×q； 其中，q為當(dāng)前隊(duì)長(zhǎng)。
步驟6)由qavg計(jì)算丟包率pa。如果qavg≤minlow，轉(zhuǎn)去步驟7)； 如果qavg≥maxhigh，轉(zhuǎn)去步驟8)；否則轉(zhuǎn)去步驟9)； 步驟7)數(shù)據(jù)包入列，pa＝0，count＝0，轉(zhuǎn)到步驟14)； 步驟8)丟棄數(shù)據(jù)包，pa＝1，count＝-1，轉(zhuǎn)到步驟14)； 步驟9)如果maxlow≤qavg＜maxhigh，轉(zhuǎn)去步驟10)；如果minhigh≤qavg＜maxlow，轉(zhuǎn)去步驟11)；如果minlow＜qavg＜minhigh，轉(zhuǎn)去步驟12)； 步驟10)轉(zhuǎn)到步驟13)； 步驟11) ，轉(zhuǎn)到步驟13)； 步驟12)轉(zhuǎn)到步驟13)； 步驟13)以pa標(biāo)記數(shù)據(jù)包，count++； 步驟14)轉(zhuǎn)至步驟3)，重復(fù)執(zhí)行步驟3)到13)，直至結(jié)束。
上述最小閾值和最大閾值分別都是兩個(gè)連續(xù)的區(qū)間，，即(minlow，minhigh)和(maxlow，maxhigh)；并分別可以服從于的不同概率分布；當(dāng)只選取區(qū)間的邊界值時(shí)，閾值成為了兩個(gè)間隔的點(diǎn)，從而得到間隔式的RED或IRED的方法。上述IRED擁有五個(gè)工作區(qū) 1)完全吸收區(qū)(AAI)系統(tǒng)輕度擁塞或不擁塞時(shí)，工作在此區(qū)；此時(shí)，路由器緩存的利用率較低，系統(tǒng)的吞吐量高； 2)最小閾值區(qū)(MINI)系統(tǒng)輕度擁塞時(shí)，工作于該區(qū)。此時(shí)，路由器緩存的利用率較低，系統(tǒng)的吞吐量高；這個(gè)工作區(qū)的引入通常會(huì)使IRED比RED早丟包，但I(xiàn)RED在該區(qū)的丟棄率很小，增加幅度也很小。當(dāng)一個(gè)TCP連接新建后常會(huì)發(fā)送大量數(shù)據(jù)包，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量急劇下降，minth工作區(qū)的引入與TCP擁塞控制的慢啟動(dòng)配合可降低新建立的連接產(chǎn)生的突發(fā)通信量對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響； 3)線性丟棄區(qū)(LDI)工作于該區(qū)時(shí)，系統(tǒng)處于擁塞適中狀態(tài)，路由器緩存的利用率和系統(tǒng)的吞吐量之間能大致平衡； 4)最大閾值區(qū)(MAXI)系統(tǒng)重度擁塞時(shí)，工作于該區(qū)。此時(shí)，路由器緩存的利用率較高，系統(tǒng)的吞吐量低。該區(qū)的引入突破了RED中pmax的限制，使pb不必突變?yōu)?，使控制更加平穩(wěn)、高效； 5)直接丟棄區(qū)(DDI)網(wǎng)絡(luò)完全擁塞時(shí)，工作于該區(qū)。直接丟棄進(jìn)入路由器的任何數(shù)據(jù)包，路由器緩存的利用率很高，系統(tǒng)的吞吐量很低。
當(dāng)擁塞控制策略選擇IRED時(shí)，在最小閾值區(qū)、線性丟棄區(qū)和最大閾值區(qū)，整個(gè)擁塞控制系統(tǒng)擁有不同的穩(wěn)定裕量，其中線性丟棄區(qū)的穩(wěn)定裕量最小，最小閾值區(qū)和最大閾值區(qū)的穩(wěn)定裕量相對(duì)較大；在線性丟棄區(qū)，IRED用較小的穩(wěn)定裕量，換來(lái)更嚴(yán)厲的控制，使系統(tǒng)更快地從擁塞態(tài)返回適度擁塞的最佳運(yùn)行狀態(tài)；在最小閾值區(qū)和最大閾值區(qū)，源端分別工作于慢啟動(dòng)和擁塞避免階段，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增加，IRED正好能為控制系統(tǒng)提供相對(duì)較大的穩(wěn)定裕量。
本發(fā)明提出了一種面向負(fù)載多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的路由器端間隔式RED方法，克服了現(xiàn)有RED方法對(duì)參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的過(guò)分敏感，將RED中的閾值從一個(gè)點(diǎn)改進(jìn)為一個(gè)區(qū)間，得到了新的間隔式RED方法，該方法獲得了更強(qiáng)的魯棒性，能在負(fù)載多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下取得更好的控制。與RED方法相比，路由器使用該方法進(jìn)行擁塞控制，系統(tǒng)的性能可得到明顯改善數(shù)據(jù)包的丟棄率降低，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)。本發(fā)明是一種性能優(yōu)良，方便實(shí)用的基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法。



圖1為本發(fā)明AQM控制框圖； 圖2為本發(fā)明閾值的改進(jìn)設(shè)置圖； 圖3為本發(fā)明間隔式RED方法的臨時(shí)丟棄率pb與平均隊(duì)長(zhǎng)qavg關(guān)系圖 圖4為本發(fā)明間隔式RED方法流程圖； 圖5為本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；
具體實(shí)施例方式 現(xiàn)有文獻(xiàn)基于流體理論給出了TCP流量控制的非線性模型 其中，各參數(shù)的物理意義為W為T(mén)CP期望窗口(單位包)；q為期望隊(duì)長(zhǎng)(包)；R為往返時(shí)間(秒)；C為鏈路容量(包/秒)；N為負(fù)載因子，即TCP連接數(shù)；p為丟棄率。
用小信號(hào)理論在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)將該非線性模型線性化，并結(jié)合路由器上的AQM方法，結(jié)合經(jīng)典控制理論，將TCP/AQM描述為反饋控制系統(tǒng)，如圖1所示。即AQM控制器用概率p來(lái)標(biāo)記或丟棄分組，產(chǎn)生控制信號(hào)，終端加以響應(yīng)調(diào)節(jié)自身發(fā)送窗口的大小，使隊(duì)長(zhǎng)維持在較小值，擁塞得到有效預(yù)防和控制。系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如圖1，描述了AQM控制器如何通過(guò)改變p(t)來(lái)影響q(t)。
(1) 其中， 在AQM方法的設(shè)計(jì)中，考慮到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜多變，特別是負(fù)載的時(shí)變特性，而RED方法又極為敏感于參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化，所以將RED中的閾值從一個(gè)點(diǎn)改進(jìn)為一個(gè)區(qū)間，得到了間隔式RED(Interval RED，IRED)方法。IRED控制器的設(shè)計(jì)如下 步驟1)在RED方法的框架下，如圖2，分別將RED的最小閾值minth和最大閾值maxth設(shè)置為一個(gè)區(qū)間，并且最小閾值和最大閾值區(qū)間中的點(diǎn)都服從某種的概率分布。當(dāng)選取閾值區(qū)間的上下邊界點(diǎn)(服從均勻分布)時(shí)，可得到方法的最簡(jiǎn)形式。
步驟2)對(duì)最小閾值和最大閾值進(jìn)行組合，得到四組閾值組合(minlow，maxlow)、(minlow，maxhigh)、(minhigh，maxlow)、(minhigh，maxhigh)。
這四組閾值可分別對(duì)應(yīng)四個(gè)RED控制器REDll、REDlh、REDhl和REDhh，其丟包率分別是pll、plh、phl和phh。
步驟3)這四個(gè)丟棄率的平均值就是本發(fā)明中方法的臨時(shí)丟棄率 圖3給出了pb與qavg的關(guān)系圖，顯然在不同的工作區(qū)，控制器對(duì)平均隊(duì)長(zhǎng)qavg變化的響應(yīng)是不一樣的 ●AAI代表完全吸收區(qū)，此時(shí)，qavg∈(0，minlow)，到達(dá)路由器的數(shù)據(jù)包全部都可以進(jìn)入隊(duì)列，即pb＝0； ●MINI代表最小閾值區(qū)，此時(shí)，qavg∈(minlow，minhigh)，最小閾值在此區(qū)間內(nèi)取值，到達(dá)數(shù)據(jù)包的丟棄率為 ●LDI代表線性丟棄區(qū)，此時(shí)，qavg∈(minhigh，maxlow)，到達(dá)數(shù)據(jù)包的丟棄率為 ●MAXI代表最大閾值區(qū)，此時(shí)，qavg∈(maxlow，maxhigh)，最大閾值在此區(qū)間內(nèi)取值，到達(dá)數(shù)據(jù)包的丟棄率為 ●DDI代表直接丟棄區(qū)，此時(shí)，qavg∈(maxhigh，∞)，到達(dá)的數(shù)據(jù)包全部丟棄，即pb＝1。
步驟4)最終丟棄率pa 步驟5)AQM控制器 其中，(δ是采樣頻率)； 系統(tǒng)穩(wěn)定性定理若k和Lired的取值滿足 其中 當(dāng)滿足N＞N-，Ro＜R+時(shí)，TCP/IRED擁塞控制系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，(0＜η≤0.1)。
在IRED控制器的設(shè)計(jì)中，閾值區(qū)間的邊界值minlow、maxlow、minhigh和maxhigh的設(shè)置，不僅決定的IRED的控制性能和擁塞控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還決定了系統(tǒng)在不同工作區(qū)間時(shí)的穩(wěn)定裕量。
●MINI相角裕量，
幅值裕量， ●LDI
●MAXI
圖4為IRED方法的流程圖。
IRED方法可在NS-2仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，并可進(jìn)行性能測(cè)試。NS-2仿真平臺(tái)(Network Simulator-2)是近年來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行評(píng)估與研究的一個(gè)主流的模擬工具，作為一個(gè)開(kāi)源軟件，它得到了極為廣泛的使用，成為通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的協(xié)議研究的主流平臺(tái)之一。它采用開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)，有大量的協(xié)議庫(kù)支持，廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模擬。
本發(fā)明中的仿真使用2.31版的NS-2平臺(tái)，操作系統(tǒng)為UBUNTU7.04。采用n個(gè)FTP業(yè)務(wù)源和m個(gè)HTTP業(yè)務(wù)源來(lái)模擬實(shí)際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況見(jiàn)圖5所示，所有業(yè)務(wù)源與路由器r1之間的鏈路容量為1Mbps，延時(shí)為160ms到240ms之間的隨機(jī)值；瓶頸鏈路位于路由器r1和r 2之間，鏈路容量為15Mbps，延時(shí)40ms；除路由器r1與r2之間的鏈接以外，其余鏈接均使用DropTail；路由器r1上的緩存為800個(gè)包(分組缺省大小為500bytes)，各個(gè)業(yè)務(wù)源的分組設(shè)置為500bytes。
以下一系列的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明IRED的參數(shù)設(shè)置對(duì)負(fù)載量的敏感度較低。實(shí)驗(yàn)的前提為預(yù)設(shè)4種方法的參數(shù)，只改變負(fù)載量，觀察4種方法在固定參數(shù)設(shè)置的情況下對(duì)不同負(fù)載量的敏感度。
●IRED的參數(shù)設(shè)置為minlow＝150，minhigh＝155，maxlow＝700，maxhigh＝705，pmax＝0.1。
●RED的參數(shù)設(shè)置為minth＝150，maxth＝700，pmax＝0.1，wq＝0.00000133。
●GENTLE_RED的參數(shù)設(shè)置為minth＝150，maxth＝700，pmax＝0.1，wq＝0.00000133。
實(shí)驗(yàn)一 設(shè)置20個(gè)FTP業(yè)務(wù)源和60個(gè)HTTP業(yè)務(wù)源，所有業(yè)務(wù)源從0s開(kāi)始工作，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為200s。路由器r1和r2之間的鏈路采用IRED、RED和GENTLE_RED 3種方法，分別進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)。
并且每增加10個(gè)FTP業(yè)務(wù)源和30個(gè)HTTP業(yè)務(wù)源就進(jìn)行一次4種方法的比較實(shí)驗(yàn)，一直到把負(fù)載量增加到180個(gè)FTP業(yè)務(wù)源和540個(gè)HTTP業(yè)務(wù)源?？梢缘玫饺缦卤?組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表1不同負(fù)載情況下IRED、RED和GENTLE_RED的性能指標(biāo)

可見(jiàn)IRED方法的性能總體上要優(yōu)于RED和GENTLE_RED，特別是在負(fù)載量較輕和重載的時(shí)候占有明顯的優(yōu)勢(shì)。從平均值的結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了使用IRED方法能夠適應(yīng)大部分的負(fù)載情況，獲得較好的性能；IRED對(duì)負(fù)載的敏感度比RED和GENTLE_RED低。在大部分的負(fù)載環(huán)境下，IRED仍然能夠獲得較好的性能。
實(shí)驗(yàn)二 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍舊采用實(shí)驗(yàn)一的結(jié)構(gòu)，設(shè)置60個(gè)FTP業(yè)務(wù)流和180個(gè)HTTP業(yè)務(wù)流，且它們之間的帶寬為15Mbp，路由器r1和路由器r2之間的瓶頸帶寬在5Mbps到30Mbps間，每隔2.5Mbps做一組實(shí)驗(yàn)，共11組。實(shí)驗(yàn)時(shí)間均為300秒。最后得出11組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，如下表2。
表2不同瓶頸帶寬下的IRED、RED和GENTLE_RED的性能指標(biāo)
可見(jiàn)，在大多數(shù)的帶寬情況中，RED和GENTLE_RED方法只適應(yīng)了少部分的帶寬情況，而IRED方法則適應(yīng)了大部分情況，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值可進(jìn)一步驗(yàn)證，IRED對(duì)不同帶寬的敏感度要比RED和GENTLE_RED要低。
實(shí)驗(yàn)三 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍舊采用實(shí)驗(yàn)一的結(jié)構(gòu)，為了比較IRED和RED和GENTLE_RED方法在負(fù)載量發(fā)生突變的時(shí)候的敏感度，可用以下一系列的實(shí)驗(yàn)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依舊使用如圖1所示的結(jié)構(gòu)，瓶頸帶寬為15Mbps實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為300秒，假設(shè)在120秒的時(shí)候，F(xiàn)TP業(yè)務(wù)源的負(fù)載量突然發(fā)生變化，而HTTP業(yè)務(wù)源的負(fù)載量不變，選取4種突變的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出如下4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出4組數(shù)據(jù)的平均值，詳細(xì)數(shù)據(jù)如下表3。
表3負(fù)載量突變的情況下IRED、RED和GENTLE_RED的性能指標(biāo)
可見(jiàn)，在負(fù)載突變情況中，IRED比RED和GENTLE_RED有明顯優(yōu)勢(shì)。根據(jù)4組突變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，可進(jìn)一步證明，在大多數(shù)的負(fù)載量突變的情況中，IRED方法比RED和GENTLE_RED方法的性能更佳。
權(quán)利要求
1、一種基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法，其特征在于包括有如下步驟
步驟1)初始化
預(yù)設(shè)wq、pmax、minlow、minhigh、maxlow、maxhigh、count、qavg；且count＝-1、qavg＝0。
其中，wq為計(jì)算平均隊(duì)長(zhǎng)時(shí)所用的權(quán)值；
pmax為最大丟棄概率；
最小閾值為區(qū)間(min1ow，minhigh)，即minlow為最小閾值的下界，minhigh為最小閾值的上界；
最大閾值為區(qū)間(maxlow，maxhigh)，即maxlow為最小閾值的下界，maxhigh為最小閾值的上界；
count代表連續(xù)成功傳輸?shù)姆纸M數(shù)；
qavg代表平均隊(duì)長(zhǎng)；
步驟2)在路由器建立一個(gè)基于IRED方法的控制器；
步驟3)等待新分組的到來(lái)。當(dāng)新分組到來(lái)時(shí)，如果此時(shí)隊(duì)列為空，到執(zhí)行驟4)；否則執(zhí)行步驟5)；
步驟4)計(jì)算平均隊(duì)長(zhǎng)qavg＝(1-wq)m×qavg；
并將隊(duì)列為空的起始時(shí)間q_time設(shè)為當(dāng)前時(shí)間time，即q_time＝time；
其中，m代表空隊(duì)列持續(xù)的時(shí)間，m＝f(time-q_time)；
步驟5)計(jì)算平均隊(duì)長(zhǎng)qavgqavg＝(1-wq)qavg+wq×q；
其中，q為當(dāng)前隊(duì)長(zhǎng)。
步驟6)由qavg計(jì)算丟包率pa。如果qavg≤minlow，轉(zhuǎn)去步驟7)；如果qavg≥maxhigh，轉(zhuǎn)去步驟8)；否則轉(zhuǎn)去步驟9)；
步驟7)數(shù)據(jù)包入列，pa＝0，count＝0，轉(zhuǎn)到步驟14)；
步驟8)丟棄數(shù)據(jù)包，pa＝1，count＝-1，轉(zhuǎn)到步驟14)；
步驟9)如果maxlow≤qavg＜maxhigh，轉(zhuǎn)去步驟10)；如果minhigh≤qavg＜maxlow，轉(zhuǎn)去步驟11)；如果minlow＜qavg＜minhigh，轉(zhuǎn)去步驟12)；
步驟10)轉(zhuǎn)到步驟13)；
其中，pb為臨時(shí)丟棄概率。
步驟11)
轉(zhuǎn)到
步驟13)；
步驟12)轉(zhuǎn)到步驟13)；
步驟13)以pa標(biāo)記數(shù)據(jù)包，count++；
步驟14)轉(zhuǎn)至步驟3)，重復(fù)執(zhí)行步驟3)到13)，直至結(jié)束。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法，其特征在于上述最小閾值和最大閾值分別都是兩個(gè)連續(xù)的區(qū)間，即(minlow，minhigh)和(maxlow，maxhigh)；并分別可以服從于的不同概率分布；當(dāng)只選取區(qū)間的邊界值時(shí)，閾值成為了兩個(gè)間隔的點(diǎn)，從而得到間隔式的RED即IRED的方法。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法，其特征在于上述IRED擁有五個(gè)工作區(qū)
1)完全吸收區(qū)(AAI)系統(tǒng)輕度擁塞或不擁塞時(shí)，工作在此區(qū)；此時(shí)，路由器緩存的利用率較低，系統(tǒng)的吞吐量高；
2)最小閾值區(qū)(MI NI)系統(tǒng)輕度擁塞時(shí)，工作于該區(qū)。此時(shí)，路由器緩存的利用率較低，系統(tǒng)的吞吐量高；這個(gè)工作區(qū)的引入通常會(huì)使IRED比RED早丟包，但I(xiàn)RED在該區(qū)的丟棄率很小，增加幅度也很小。當(dāng)一個(gè)TCP連接新建后常會(huì)發(fā)送大量數(shù)據(jù)包，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量急劇下降，minth工作區(qū)的引入與TCP擁塞控制的慢啟動(dòng)配合可降低新建立的連接產(chǎn)生的突發(fā)通信量對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響；
3)線性丟棄區(qū)(LDI)工作于該區(qū)時(shí)，系統(tǒng)處于擁塞適中狀態(tài)，路由器緩存的利用率和系統(tǒng)的吞吐量之間能大致平衡；
4)最大閾值區(qū)(MAXI)系統(tǒng)重度擁塞時(shí)，工作于該區(qū)。此時(shí)，路由器緩存的利用率較高，系統(tǒng)的吞吐量低。該區(qū)的引入突破了RED中pmax的限制，使pb不必突變?yōu)?，使控制更加平穩(wěn)、高效；
5)直接丟棄區(qū)(DDI)網(wǎng)絡(luò)完全擁塞時(shí)，工作于該區(qū)。直接丟棄進(jìn)入路由器的任何數(shù)據(jù)包，路由器緩存的利用率很高，系統(tǒng)的吞吐量很低。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法，其特征在于當(dāng)擁塞控制策略選擇IRED時(shí)，在最小閾值區(qū)、線性丟棄區(qū)和最大閾值區(qū)，整個(gè)擁塞控制系統(tǒng)擁有不同的穩(wěn)定裕量，其中線性丟棄區(qū)的穩(wěn)定裕量最小，最小閾值區(qū)和最大閾值區(qū)的穩(wěn)定裕量相對(duì)較大；在線性丟棄區(qū)，IRED用較小的穩(wěn)定裕量，換來(lái)更嚴(yán)厲的控制，使系統(tǒng)更快地從擁塞態(tài)返回適度擁塞的最佳運(yùn)行狀態(tài)；在最小閾值區(qū)和最大閾值區(qū)，源端分別工作于慢啟動(dòng)和擁塞避免階段，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增加，IRED正好能為控制系統(tǒng)提供相對(duì)較大的穩(wěn)定裕量。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法。本發(fā)明克服了現(xiàn)有RED方法對(duì)參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的過(guò)分敏感，將RED中的閾值從一個(gè)點(diǎn)改進(jìn)為一個(gè)區(qū)間，得到了新的間隔式RED方法，即IRED(Interval IRED)算法，該方法獲得了更強(qiáng)的魯棒性，能在負(fù)載多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下取得更好的控制。與RED方法相比，路由器使用該方法進(jìn)行擁塞控制，系統(tǒng)的性能可得到明顯改善數(shù)據(jù)包的丟棄率降低，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的吞吐量提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)。本發(fā)明是一種性能優(yōu)良，方便實(shí)用的基于負(fù)載多變的路由器間隔式擁塞控制方法。
文檔編號(hào)H04L12/56GK101286929SQ20081002843
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者治 劉, 云 章, 杰 倪, 文俊朝 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)