協(xié)議網(wǎng)絡(luò)擁塞控制若干問題的研究演示文稿

協(xié)議網(wǎng)絡(luò)擁塞控制若干問題的研究演示文稿目前一頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點協(xié)議網(wǎng)絡(luò)擁塞控制若干問題的研究目前二頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點結(jié)論與展望

主要工作緒論目前三頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點第一章緒論

網(wǎng)絡(luò)擁塞的基本概念

擁塞是一種持續(xù)過載的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。此時用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的需求超過了其固有的容量。

網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生的原因存儲空間不足帶寬容量不足處理器速度慢、能力弱

擁塞控制的基本思想采取某種控制措施減少或避免網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象。圖1.1網(wǎng)絡(luò)負載與吞吐量及響應(yīng)時間的關(guān)系目前四頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

基于源端的TCP擁塞控制機制

“和式增加積式減少（AIMD）”基于窗口的閉環(huán)控制方式慢啟動擁塞避免快速重傳快速恢復(fù)第一章緒論目前五頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點基于路由器的IP擁塞控制機制

通過路由器等中間節(jié)點設(shè)備采用隊列算法實現(xiàn)隊列調(diào)度算法隊列管理算法FIFO算法AQM策略RED算法第一章緒論目前六頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

在這類算法中TCP的連接是一種互動的行為，AQM控制器可以看作一個梯度優(yōu)化問題，算法的目標(biāo)是最大化網(wǎng)絡(luò)利用率。

Kelly等學(xué)者基于優(yōu)化理論[49]提出了一個分散擁塞控制框架，從而建立了TCP速率控制的模型。Kunniyur在Kelly源端速率模型的基礎(chǔ)上提出AVQ算法。Low等基于優(yōu)化理論提出了TCP/AQM對偶性模型?；趦?yōu)化理論的擁塞控制算法

第一章緒論目前七頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點基于控制理論的擁塞控制算法

第一章緒論從控制理論角度，擁塞控制算法分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。Misra等[63]提出了TCP/AQM微分方程模型。

圖1.8TCP擁塞控制與AQM算法組成的反饋控制模型文獻[64]運用經(jīng)典控制理論證明了采用RED控制的的系統(tǒng)中穩(wěn)定時控制器參數(shù)所要滿足的條件Hollot等[65]研究了在AQM中采用經(jīng)典的PI控制器的設(shè)計方法。

文獻[67]則直接運用狀態(tài)反饋控制理論，給出了狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計。

目前八頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點現(xiàn)有算法存在的問題

第一章緒論

已有的AQM設(shè)計大多是依賴于確定的網(wǎng)絡(luò)模型，沒有考慮到參數(shù)的時變性以及模型的不確定性的影響。擁塞控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析是控制理論的難點課題。目前九頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點第五章基于顯式速率反饋的擁塞控制算法第四章

基于自適應(yīng)灰色預(yù)測的VRC虛速率算法

第二章

基于IMC-Smith算法的AQM策略

第一章緒論第三章

AQM中的模糊-Smith算法

第六章

基于價格策略的擁塞控制機制本文的主要工作第七章網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的穩(wěn)定性分析目前十頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點TCP流量窗口控制機制動態(tài)模型：第二章基于IMC-Smith的AQM策略圖2.5

基于TCP流體模型的網(wǎng)絡(luò)擁塞反饋控制結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模圖2.2啞鈴型拓撲結(jié)構(gòu)的分組交換網(wǎng)絡(luò)

目前十一頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點Smith預(yù)估控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成如下圖的等價結(jié)構(gòu)：得到Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)按照內(nèi)?？刂扑惴ㄔO(shè)計控制器第二章基于IMC-Smith的AQM策略(2.24)

圖2.7IMC-Smith控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

目前十二頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點仿真研究圖2.8模型匹配時IMC-Smith控制算法仿真曲線

圖2.9滯后時間變化時仿真曲線

第二章基于IMC-Smith的AQM策略圖2.10模型失配時仿真曲線

圖2.11激活的TCP連接數(shù)變化時的仿真曲線

目前十三頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點第二章基于IMC-Smith的AQM策略

本章小結(jié)

本章從控制理論的角度描述了帶AQM的網(wǎng)絡(luò)擁塞閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受控對象的一種傳遞函數(shù)模型。并提出了一種結(jié)合內(nèi)模控制器和Smith預(yù)估補償控制器的IMC-Smith控制算法，通過仿真實驗表明，該策略能有效克服網(wǎng)絡(luò)時延的影響，對網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)的變化具有較好的魯棒性。目前十四頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點第三章AQM中的模糊-Smith算法

設(shè)計目標(biāo)：基于模糊Smith設(shè)計一個AQM控制器來穩(wěn)定路由器中的隊列長度使其在目標(biāo)隊列附近圖3.1模糊-Smith系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前十五頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點圖3.4改進的Smith預(yù)估補償控制原理圖

第三章AQM中的模糊-Smith算法

在原對象模型與Smith預(yù)估器模型的比較器之后串上一個低通濾波器，可以大大減少模型失配的敏感，增加Smith預(yù)估控制系統(tǒng)魯棒性。

目前十六頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點由二維模糊控制器實現(xiàn)

隊列長度的誤差及誤差的變化率作為模糊控制器的輸入

隊列長度的誤差分為五個模糊子集，為{負小、負大、零、正小、正大}

誤差的變化率也分為五個模糊子集，為{負小、負大、零、正小、正大}

模糊控制器的設(shè)計丟棄概率作為模糊控制器的輸出

第三章AQM中的模糊-Smith算法

目前十七頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

E

ECPd

NB

NS

Z

PS

PBNBNNNNNNSNNNNLZNNNLFPSNNLFHPBNLLFH表3.3模糊控制器的控制規(guī)則表

模糊控制器的輸出由下式給出：

(3.6)

第三章AQM中的模糊-Smith算法

目前十八頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點仿真

圖3.8小時滯時三種控制器比較圖3.9大時滯時三種控制器比較

圖3.10參數(shù)變化時三種控制器比較

第三章AQM中的模糊-Smith算法

目前十九頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

本章小結(jié)

本章從控制理論的角度描述了帶AQM的網(wǎng)絡(luò)擁塞閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了一種結(jié)合模糊控制器和Smith預(yù)估補償控制器的模糊Smith控制算法，通過仿真實驗表明，該策略能有效克服網(wǎng)絡(luò)時延的影響，對網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)的變化具有較好的魯棒性。第三章AQM中的模糊-Smith算法

目前二十頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點第四章基于灰色預(yù)測自適應(yīng)PID理論的VRC算法

圖4.2灰色預(yù)測自適應(yīng)PID網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)框圖

AQM算法分為兩種類型：1)基于速率的擁塞控制，控制擁塞鏈路的數(shù)據(jù)流的速率；2)基于隊列的擁塞控制，控制擁塞鏈路的隊列長度。文獻[97,98]提出了一種虛速率控制算法(VRC)VRC的標(biāo)記概率表達式：

(4.10)

(4.14)

目前二十一頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點我們采用自適應(yīng)的形式，將上式寫成式中：第四章基于灰色預(yù)測自適應(yīng)PID理論的VRC算法

設(shè)：(4.16)

(4.18)

(4.19)

目前二十二頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點設(shè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)為

式中d為下文所指的預(yù)測時間。第四章基于灰色預(yù)測自適應(yīng)PID理論的VRC算法

灰色預(yù)測器的輸入時間序列如下：

得到原始數(shù)據(jù)對t+d時刻的預(yù)測為

(4.20)

(4.24)

(4.25)

(4.35)

目前二十三頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

穩(wěn)定性分析

設(shè)離散Lyapunov函數(shù)為：第四章基于灰色預(yù)測自適應(yīng)PID理論的VRC算法

當(dāng)時，系統(tǒng)穩(wěn)定

(4.36)

(4.37)

目前二十四頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點瓶頸鏈路中單路TCP連接

圖4.3局域網(wǎng)無參數(shù)改變時的隊列長度

仿真性能分析

圖4.4局域網(wǎng)參數(shù)改變時的隊列長度

第四章基于灰色預(yù)測自適應(yīng)PID理論的VRC算法

圖4.5廣域網(wǎng)無參數(shù)改變時的隊列長度

圖4.6廣域網(wǎng)參數(shù)改變時的隊列長度

目前二十五頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點瓶頸鏈路中多路TCP連接

圖4.7TCP連接帶寬第四章基于灰色預(yù)測自適應(yīng)PID理論的VRC算法

圖4.8局域網(wǎng)無參數(shù)改變時的隊列長度

圖4.9局域網(wǎng)參數(shù)改變時的隊列長度

圖4.10廣域網(wǎng)無參數(shù)改變時的隊列長度

圖4.11廣域網(wǎng)較壞網(wǎng)絡(luò)狀況時的隊列長度

目前二十六頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

本章小結(jié)本章針對基于PID控制的虛速率VRC主動隊列管理算法加以改進，提出了一種新的VRC算法。將二次型性能指標(biāo)引入到PID控制器的整定過程中，按照性能指標(biāo)的負梯度方向修改加權(quán)系數(shù)，實現(xiàn)了PID的自適應(yīng)最優(yōu)控制，同時將自適應(yīng)PID與灰色預(yù)測器相結(jié)合，用預(yù)測結(jié)果代替被控對象測量值，補償了網(wǎng)絡(luò)時滯，實現(xiàn)了“事先調(diào)節(jié)”。并且對算法進行了穩(wěn)定性分析。此外，本章通過細致的仿真實驗分析了算法在改善網(wǎng)絡(luò)性能方面的有效性。算法能穩(wěn)定地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動態(tài)變化，超調(diào)量小，振蕩輕微，快速收斂于路由器隊列長度期望值，自適應(yīng)克服了網(wǎng)絡(luò)干擾和滯后特性的影響。

第四章基于灰色預(yù)測自適應(yīng)PID理論的VRC算法

目前二十七頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點緩沖器中某一TCP連接的隊列長度可由下列方程所確定：第五章基于顯式速率反饋的擁塞控制算法

(5.1)

控制器設(shè)計控制性能指標(biāo)：穩(wěn)定性條件：當(dāng)，。充分利用帶寬條件：當(dāng)，隊列長度。圖5.3控制系統(tǒng)圖

目前二十八頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程為：

(5.4)

令閉環(huán)特征方程在處有雙重極點

(5.6)

(5.7)

第五章基于顯式速率反饋的擁塞控制算法

目前二十九頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

設(shè)計濾波器

第五章基于顯式速率反饋的擁塞控制算法

令輸入到的期望傳遞函數(shù)為：

(5.8)

令(5.9)

目前三十頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點第五章基于顯式速率反饋的擁塞控制算法

控制算法仿真研究

瓶頸鏈路中僅有單路TCP連接圖5.6局域網(wǎng)無參數(shù)改變時的隊列長度

圖5.7局域網(wǎng)參數(shù)改變時的隊列長度

圖5.8廣域網(wǎng)無參數(shù)改變時的隊列長度

圖5.9廣域網(wǎng)參數(shù)改變時的隊列長度

目前三十一頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點瓶頸鏈路中多路TCP連接

圖4.7TCP連接帶寬圖5.11局域網(wǎng)無參數(shù)改變時的隊列長度

圖5.12局域網(wǎng)參數(shù)改變時的隊列長度

圖5.13廣域網(wǎng)無參數(shù)改變時的隊列長度

圖5.14廣域網(wǎng)較壞網(wǎng)絡(luò)狀況時的隊列長度

第五章基于顯式速率反饋的擁塞控制算法

目前三十二頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點第五章基于顯式速率反饋的擁塞控制算法

本章小結(jié)

本章將Smith控制算法應(yīng)用于TCP擁塞控制，較好地克服了網(wǎng)絡(luò)的傳播時延給擁塞控制所帶來的不利影響，使源端的TCP發(fā)送窗口能快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，即避免了擁塞的發(fā)生，又保證了瓶頸鏈路的帶寬得到充分利用，使網(wǎng)絡(luò)處于良好的運行狀態(tài)。而且，當(dāng)控制系統(tǒng)進入穩(wěn)定后，能使TCP發(fā)送窗口的變化很平穩(wěn)?？刂葡到y(tǒng)的良好魯棒性又使本方案具有很大的實用價值。目前三十三頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點第六章基于價格策略的擁塞控制機制系統(tǒng)模型與分析

考慮一個具有資源集合的網(wǎng)絡(luò)，資源的有限容量為C,集合N中的用戶以的速率來使用網(wǎng)絡(luò)，對于整個網(wǎng)絡(luò)來說，資源負載為,資源使用率為。對于每一個用戶，其總體效用如下：整個系統(tǒng)的總體效用如下：(6.1)

(6.2)

目前三十四頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點用戶效用最大化的解系統(tǒng)效用最大化的解當(dāng)n足夠大時第六章基于價格策略的擁塞控制機制目前三十五頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點基于資源占有率的價格策略

最后得到

規(guī)定在資源使用率為時，價格函數(shù)設(shè)定為。令第六章基于價格策略的擁塞控制機制(6.11)

目前三十六頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點基于激勵Stackelberg的價格策略

Stackelberg激勵策略是對策論中的一種策略，又稱主—從策略。在激勵策略中，分為主方和從方。主方發(fā)布激勵策略，當(dāng)從方與主方提供的目標(biāo)不一致時，懲罰函數(shù)將激勵或迫使從方采取對整個整體有益的行為。一個資源分配向量構(gòu)成Nash均衡,意味著沒有用戶有單方面改變自己策略(所使用資源的數(shù)量)的動機。第六章基于價格策略的擁塞控制機制

在這里的這個策略中，網(wǎng)絡(luò)商是主方，用戶是滿足Nash平衡點的從方，允許網(wǎng)絡(luò)方和用戶方任意改變速率xs，s=1,2,…,n。引入Stackelberg策略：

其中是待確定的函數(shù)。是系統(tǒng)效用最大化的解。(6.19)

目前三十七頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點線性激勵策略

假設(shè)為線性函數(shù)，即：令最后得到第六章基于價格策略的擁塞控制機制(6.22)

(6.23)

目前三十八頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點非線性激勵策略

當(dāng)資源占有率小于等于20%，即時，考慮非線性策略：

當(dāng)資源占有率大于等于90%，即時，考慮非線性策略：第六章基于價格策略的擁塞控制機制(6.25)

(6.26)

目前三十九頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點數(shù)值例子和仿真

圖6.2用戶的效用函數(shù)曲線圖6.3系統(tǒng)的效用函數(shù)曲線第六章基于價格策略的擁塞控制機制圖6.4采取了基于資源占有率的價格策略后用戶的效用函數(shù)曲線圖6.5

的情況下采取線性激勵策略后的用戶效用函數(shù)等高線圖目前四十頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點圖6.6

情況下采取了非線性激勵策略后用戶效用函數(shù)的等高線圖圖6.7情況下采取了非線性激勵策略后的價格曲線第六章基于價格策略的擁塞控制機制

本章小結(jié)本章從經(jīng)濟學(xué)的角度出發(fā)，應(yīng)用價格手段來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制提出了兩種價格策略，首先將資源占有率引入到價格策略中，構(gòu)造了基于資源占有率的價格策略；另外將網(wǎng)絡(luò)中的效用函數(shù)模型同對策論中的激勵Stackelberg策略相結(jié)合，提出了基于激勵Stackelberg的價格策略。通過仿真實驗，得到了理想的結(jié)果，證明了兩種策略的有效性。目前四十一頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

TCP/AQM對偶性模型主導(dǎo)思想鏈路源端（用戶）反饋價格發(fā)送速率調(diào)整影響效用函數(shù)第七章網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的穩(wěn)定性分析

目前四十二頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

對偶控制算法對效用函數(shù)有如下兩個假設(shè):

在區(qū)間中效用函數(shù)是單調(diào)增的、嚴(yán)格凹的，并且連續(xù)二次可微的。的曲率被限制遠離零的,即在上:對所有的有

第七章網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的穩(wěn)定性分析

目前四十三頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點原始問題

（擁塞控制的目標(biāo)）選取發(fā)送速率，使得：第七章網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的穩(wěn)定性分析

(7.4)

目前四十四頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點對偶問題

目標(biāo)為選取擁塞度量(即對偶變量),使得：定義Lagrangian式子

第七章網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的穩(wěn)定性分析

(7.5)

(7.9)

(7.7)

(7.8)

目前四十五頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點

對偶問題的梯度算法

第七章網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的穩(wěn)定性分析

(7.11)

(7.13)

目前四十六頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點對偶梯度算法的全局穩(wěn)定性分析

第個緩沖器中的隊列將有如下排隊動態(tài)變化

第七章網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的穩(wěn)定性分析

(7.14)

(7.16)

目前四十七頁\總數(shù)五十三頁\編于十八點定理1

忽略傳輸時延的情況下，由式(7.9),(7.12),(7.14)以及(7.13)組成