网络拥塞控制算法的研究

中国石油大学（华东）硕士学位论文网络拥塞控制算法的研究姓名：吕娜申请学位级别：硕士专业：计算机技术指导教师：刘素芹20081001网络拥塞控制算法的研究作者：吕娜学位授予单位：中国石油大学(华东)1.学位论文陈晶网络拥塞控制策略研究2002该文首先概要介绍了Internet中的拥塞现象产生的背景、原因以及实施拥塞控制的必要性,探讨了拥塞控制策略的研究与发展现状,从不同角度对拥塞控制机制进行了分类,并分析了当前拥塞控制中存在的问题.第2章着重研究了Internet中TCP的基于窗口的端到端拥塞控制方法以及IP层采用的拥塞控制机制.该文第3章针对慢启动阶段存在的问题进行了深入研究,在此基础上提出了一种利用历史连接和令牌控制技术的拥塞控制算法--HCTCP.第4章中提出了一种FECN算法,该算法在路由器处提供拥塞控制和指示机制,使源端能够快速响应路由器发回的拥塞指示消息,调整发送速率,避免拥塞的发生,该算法还可以通过估计链路中的活动连接数动态调整最大丢弃概率.第5章研究了TCP/IP网络的公平性问题,对TCP连接竞争资源的公平性以及TCP流与非TCP友好流共存时的公平性问题进行了分析,为实现网络资源的合理分配,该文在FECN算法中增加了对非TCP友好流的惩罚机制,提出了NFECN算法.该文在TCP/IP网络的拥塞控制策略方面进行了探索,希望能够对拥塞控制策略的发展起一定的推动作用.2.学位论文徐胜高速网络拥塞控制与相关问题研究2007随着Internet的飞速发展，用户数量迅速增加，新的网络应用不断涌现，使得网络流量急剧增加，由此引发的网络拥塞已经成为制约网络发展和应用的瓶颈问题。

拥塞易造成传输延迟和吞吐量等QoS性能指标下降，导致网络性能下降、网络资源利用率降低，从而无法提供有效的QoS保证。

因此，有效地解决拥塞问题对于提高网络性能具有重要意义，而网络拥塞控制研究也成为当前计算机网络和控制理论交叉领域研究的一个热点课题，不仅具有重要的理论价值，同时具有广泛的应用研究背景和意义。

本文的课题主要来源于国家自然科学基金重点项目(60334010)；国家自然科学基金项目(60474047)；广东省自然科学基金项目(06105413)；广东省自然科学基金博士启动项目(04300046)。

本文通过对Intemet网络拥塞控制领域最新研究成果系统的分析和总结，基于控制理论和TCP动态流体模型，得出了包含分布式时延的RED网络拥塞算法的频域稳定性；同时基于鲁棒与最优控制理论，结合成熟的控制技术，设计了四种新的AQM链路算法，所设计的新算法在提高网络的性能，提高网络资源的吞吐量和利用率，以及适应网络环境动态变化的鲁棒性等方面都有较大的改进。

另外本文对网络时延进行了研究，得出了在自相似业务流情况下，网络的时延分布函数，以及有限缓存下网络排队的性能。

最后对多媒体网络的接入控制进行了探讨，得到利用时滞接入控制减少网络拥塞率的方法。

现将本文的创新点和主要贡献总结如下：1.研究了包含分布式时延的网络RED算法的稳定性，对单源和非齐次多源情形，分别给出了相应的稳定判据，得到了稳定条件与时延、负载、带宽的关系，可以指导对网络链路RED算法的参数调整。

尤其基于稳定性分析结果，时变时延对Internet拥塞控制系统的鲁棒稳定性有着很大的影响。

因此在算法稳定性分析和参数设定中考虑时变时延特性是非常有必要的。

2.充分利用模糊控制理论在处理不确定性问题上的优越性，设计了一种基于模糊自适应PI的主动队列管理(AQM)算法，通过仿真说明，所设计的算法能在保证队列控制的稳定性基础上，加快队列收敛速度，减少超调量，并能适应各种回路条件和网络业务流的变化。

3.通过采用一种基于Lyapunov泛函的多变量时滞系统分析技术对网络拥塞控制问题进行了研究，得到了系统以衰减度λ指数稳定的鲁棒镇定条件，在此基础上提出了AQM网络拥塞鲁棒控制算法，仿真实验表明采用该技术设计的网络拥塞控制算法具有良好的鲁棒性及控制性能。

4.利用变结构设计出一种新的AQM算法，滑模变结构控制运动本身与被控制对象的参数及扰动无关，因此能够很好地适应参数的变化和负载的扰动。

最终的仿真试验表明我们设计的变结构算法的稳态和瞬态性能都优于与它具有相同实现复杂度的RED和PI算法，并且在负载扰动和参数变化时具有很强的鲁棒性．5.利用最优控制的思想，通过基于二次型性能指标的构建了一种最优控制算法，实现对网络性能，比如流量，丢包率，队列长度的优化调节。

仿真结果表明，该方法能获得较小的稳态误差，具有较小的分组丢失、较高的链路利用率和较小的队列波动。

6.推导了网络中业务流具有自相似特性的情况下，网络的时延分布函数。

针对服务时间服从Pareto分布的自相似流量模型：M/P(areto)/1排队模型，在利用相位类型分布——超指数分布来拟合重尾Pareto分布基础上，建立了拟合的M/PH/1排队模型，结合Pollaczek-Khintchine变换公式，并利用LAPLACE变换，获得了自相似排队模型M/P(areto)/1的时延分布函数。

同时对于特定缓存条件下的自相似排队模型进行了分析。

对特定缓存的M/P(areto)/1/K排队模型，将其拟合为M/HErd/1/K排队模型，利用矩阵几何分析方法，推导得到了该排队模型的具体排队性能。

7.研究了多媒体网络中具有公平性的连接接纳控制机制。

在多媒体业务流量比较大甚至接近满负荷的情况下，使用常用的连接接纳控制机制往往会出现窄带业务排挤宽带业务的情况，造成业务拥塞，而且使网络中多个业务之间存在不公平性。

将时滞接入思想引入多媒体网络的连接接纳控制中，并通过简单的定时器来控制处于等待状态的连接的新机制，不但保障了各个业务之间的公平性，而且有效的提高了多媒体网络的网络利用率，减少多媒体网络中各业务的拥塞率。

3.期刊论文黄卫平TCP/IP协议中拥塞控制算法探讨-广西工学院学报2003,14(2)该文在分析了Internet产生网络拥塞原因的基础上,着重讨论了TCP/IP协议控制拥塞的策略与算法,并对基于TCP与IP的拥塞控制策略进行了对比性探讨.4.学位论文周效宁基于主动网络的拥塞控制策略2005进入二十一世纪以来，Internet取得了飞速发展。

但是，随着用户需求的日益增长以及各种网络技术的提高，传统的网络体系结构已经逐渐无法满足人们的需求。

不断出现的各种新型业务和应用，造成网络通信流量的迅速增长，而流量的增长大大超过了网络带宽的增长，使得网络拥塞越来越严重。

本文首先对网络拥塞的成因进行了分析，然后介绍了目前Internet上所使用的TCP/IP拥塞控制的基本原理及其典型技术，并着重论述了TCP/IP拥塞控制所面临的问题，这包括自相似性问题、效率问题、公平性问题和算法改进等问题，同时对TCP和IP的拥塞控制进行了比较，分析了它们之间的特点和优劣，对今后的改进会有所帮助。

接着，本文全面地介绍和分析了主动网络体系结构的设计思想，在主动网络中，网络不仅具备基本的数据包寻址转发的功能，而且还具有动态编程的能力。

在此基础上将主动网络设计思想引入到拥塞控制算法的研究之中，针对其在传统网络中存在的一系列问题提出了基于主动网络的拥塞控制算法CCAAN，解决了它们在传统网络研究中存在的问题。

该算法不仅能够进行精确的网络拥塞检测，并及时的向源端指示网络拥塞状况，而且可以根据数据流的特性对造成拥塞的数据流采取有效的过滤处理。

最后，对该算法进行了仿真研究，其结果表明无论网络中是否存在不受控制的交叉通信，CCAAN算法都能明显地提高用户终端的平均吞吐量，而且增加的网络结点运算迟延也很小。

5.学位论文向少华高速网络拥塞控制研究2006随着Internet的飞速发展，用户数量迅速增加，新的网络应用不断涌现，使得网络流量急剧增加，由此引发的网络拥塞已经成为制约网络发展和应用的瓶颈问题。

拥塞易造成传输延迟和吞吐量等QOS性能指标下降，导致网络性能下降、网络资源利用率降低，从而无法提供有效的QoS保证。

因此，有效地解决拥塞问题对于提高网络性能具有重要意义，而网络拥塞控制研究也成为当前计算机网络和控制理论交叉领域研究的一个热点课题，不仅具有重要的理论价值，同时具有广泛的应用研究背景和意义。

本文的课题主要来源于国家自然科学基金重点项目(60334010)；国家自然科学基金项目(60474047)；高等学校博士学科点专项基金项目，同时体现了较好的公平性，从而能够提供有效的QoS保证，并通过仿真实验验证了新算法的性能。

本文主要研究工作的内容和创新点包括以下几个方面：1．基于优化理论和对偶模型，提出了一种改进的Vegas算法。

仿真结果表明，采用改进算法合理地设置Vegas的参数，在保持较高的利用率和极低的丢包率的同时，明显地改善了Vegas和Reno之间竞争的公平性。

2．基于源端算法在稳定状态下的循环模型，详细分析了TCP Vegas算法的不足，设计了一种新的加强型 Vegas(NE-Vegas)算法。

所设计的算法能够有效的解决Vegas连接在网络路由改变造成的吞吐量持续下降问题，同时有效的改善Vegas与Reno之间竞争的公平性。

通过仿真实验验证了NE-Vegas算法的高效性和公平性。

3．充分利用模糊控制理论在处理不确定性问题上的优越性，设计了一种基于模糊自适应PI的主动队列管理(AQM)算法，通过仿真说明，所设计的算法能在保证队列控制的稳定性基础上，加快队列收敛速度，减少超调量，并能适应各种回路条件和网络业务流的变化。

4．对AQM分析设计的现有理论成果大部分是基于线性化的模型，而缺乏对非线性动力系统的理论分析。

反步法(Backstepping)为具有严反馈形式的非线性系统提供了一种构造全局稳定控制器的有效方法，基于反步法设计了一种鲁棒的AQM算法(BS-AQM)，仿真结果表明构造的控制器能够使系统达到期望的稳态性能，包括高的链路利用率、低的丢包率、快速的收敛性能和变化网络环境下的鲁棒性。

5．应用Smith预估控制原理，在进行适当模型拟合处理的基础上，提出了一种基于Smith预估器的主动队列管理(AQM)算法，新算法结构简单，易于配置，同时克服了大时滞给队列稳定性造成的不利影响。

6．应用Lyapunov渐近稳定定理，在Smith预估器和PI算法的基础上加入增益自适应算法，设计了一种基于增益自适应Smith预估器的AQM算法，所设计的新算法易于实现，具有良好的鲁棒性和网络控制性能，同时算法能有效克服大时滞给队列稳定性造成的不利影响。

仿真结果证明了该算法的性能要优于目前的RED，PI等算法。

7．通过采用一种基于Lyapunov泛函的多变量时滞系统分析技术对网络拥塞控制问题进行了研究，得到了系统以衰减度λ指数稳定的鲁棒镇定条件，在此基础上提出了AQM网络拥塞鲁棒控制算法，所得结果不但可用于小时延网络(如LAN)，同时也适用于大时延网络(如WAN、Internet)，仿真实验表明采用该技术设计的网络拥塞控制算法具有良好的鲁棒性及控制性能。