IP网络中基于队列的拥塞控制研究

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IP网络是下一代网络(NGN)的核心网,IP网络的服务质量(QoS)保证技术是下一代网络的关键技术之一。现有的IP网络提供的Best-effort服务已经不能满足不同用户、不同业务对QoS的不同要求。IP网络的QoS问题已经成为当前国际网络研究领域最重要、最富有魅力的核心研究领域之一。网络的QoS对未来网络技术的研究、应用和发展具有举足轻重的意义,也是NGN的关键技术之一。 影响网络QoS的因素很多,但最基本、最核心的是拥塞控制。拥塞控制作为避免和控制网络拥塞的重要手段,不仅对提高网络的性能和效率有重大影响,也是提高网络QoS水平的前提和基础。虽然学术界在网络拥塞控制领域已经作了大量的研究工作,但是到目前为止,拥塞控制问题一直没有得到很好的解决。 本文主要研究增强网络QoS保证技术中最基本、最核心的拥塞控制,目的是研究更为稳定、高效的拥塞控制策略使之能辅助IP网络提供更好的QoS保证。 本文的主要研究内容和贡献概括如下: (1)针对BLUE算法在参数设置方面存在的不足,提出了一种基于参数自适应的主动队列管理算法-Self-adaptingBLUE。论文基于TCP友好公式得到丢包率和连接数量之间的关系,采用自适应机制对BLUE算法进行了改进。仿真实验表明,本文算法能有效屏蔽由突发流量产生的抖动,减少队列溢出或空闲现象的发生,在提高链路利用率的同时可以降低丢包率。 (2)针对BLUE算法缺乏早期拥塞检测机制的不足,提出了一种基于动态阈值DT的主动队列管理算法-DT-BLUE。算法通过对缓存空间进行动态管理,能提前预测网络的早期拥塞,及时对流量的变化做出反应。根据系统状态及缓冲区占用量动态地调整丢包率,DT-BLUE算法弥补了BLUE算法缺乏早期拥塞检测的不足,增强了BLUE算法对动态环境的适应能力,提高了BLUE算法的鲁棒性。仿真实验表明,DT-BLUE算法能有效保持队列长度的稳定,使之更能适应实际网络流量的变化,获得稳定的性能和较高的吞吐率。 (3)针对TCP拥塞控制机制存在的公平性问题,提出了一种基于公平策略的核心无状态公平队列算法-FCSFQ。算法采用动态阈值缓存管理机制,丢包概率考虑了流的到达速率,又考虑了缓冲区的占用情况。根据非响应流UDP数据包的空间分布特点,当网络拥塞时借鉴CHOKe机制,加大对非响应流的惩罚力度,解决了响应流和非响应流之间的不公平问题。FCSFQ算法在一定程度上保证了所有流的公平共享带宽,同时通过基于DT的缓存管理中预留的缓冲资源去除了对间歇性流与突发性流的歧视。仿真实验表明,基于公平策略的FCSFQ算法在动态的网络环境下能显著提高缓冲资源的利用率。 (4)针对模糊控制系统对模型的不确定性有很好的适应能力,算法引入模糊理论,探索研究了模糊理论在拥塞控制领域的应用,提出了一种基于模糊逻辑的主动队列管理算法。算法利用模糊理论对缓冲区占用率及队列长度等模糊问题进行描述,利用模糊理论处理不确定性问题的优越性,建立了模糊拥塞控制模型,实现了对拥塞的模糊控制。理论分析和仿真实验表明,基于模糊逻辑的主动队列管理算法取得了比传统算法更好的效果,该算法能有效保持队列长度的稳定,提高路由器的拥塞控制性能。 (5)针对常见的主动队列管理算法普遍存在公平性问题,提出了一种基于速率的公平队列管理算法-RFED。RFED算法对非响应流实施有效的惩罚,保证了不同数据流之间的公平,并根据分组的到达速率调节丢包率,将队列的到达速率控制在链路的服务速率之下。仿真实验表明,RFED算法在公平性、稳定性等方面效果良好,是一个完全无状态的算法,无需进行复杂的参数配置,因此很容易在现有网络中实施。
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