基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究

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1、基于主动队列管理的分布式 拥塞控制研究硕士研究生 荣 亮指导老师 王建新教授中南大学信息科学与工程学院 网络理论实验室Distributed Congestion Control based on Active Queue Management*1基于主动队列管理的分布式拥塞控 制研究答辩提纲拥塞控制的研究意义及研究现状1负载自适应的主动队列管理算法2大时滞网络的拥塞控制3高速网络的分布式拥塞控制4工作总结及未来工作展望5Date2基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究拥塞控制的研究意义 QoS的需求Transport Control Protocols 只为优化网络吞吐量，无法满足用户的多元化

2、的QoS需求Best-Effort Internet文件传输 VoIP 视频点播Date3基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究拥塞控制的研究意义 高带宽长距离传输的需求Transport Control Protocols 传输效率极低，不能满足高带宽长距离数据传输的需求High-Speed Long-Distance Networks天气预报 量子物理学 视频手术Date4基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究拥塞控制的研究现状TraditionalTahoeRenoNewRenoSACKVegasTFRCBinominal端到端拥塞控制High-SpeedHSTCPScalable TCPH

3、amilton TCPLayered TCPBICCUBICCompoundFAST TCPWestwood分布式拥塞控制High-SpeedXCPVCPMaxNetRCPEMKCJetMaxCLTCPTraditionalREDBLUECHOKeREMAVQPISFCPIPLREDDate5基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究分布式拥塞控制的研究内容 主动队列管 理TXRXRXTXRXTXRouteregressDataDataDataTXRX RXRXDataRX Early Dropv早期丢弃，提前通告拥塞；v随机丢弃，消除同步丢包；v速率大的业务流将以更大的概率 丢包，通知降速；v降低

4、排队延时，提高利用率，提 供QoS支持。Date6基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究分布式拥塞控制的研究内容 传输控制协议fv显示反馈 (速率反馈、负载因子等)；vf = (additive feedback, 比例公平性)，f = min (max-min feedback, max-min公平性)；v效率控制器：更有效的利用网络资源；v公平控制器：用户能够公平共享网络带宽；v协议稳定性更强。Date7基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究负载自适应的主动队列管理算法 研究动 机收敛速度慢 PI, REM稳定性差 PI, RED计算开销大、扩展性差 REM, SFC综合QoS性能不高启发试探

5、式 RED, BLUE网络流量自适应能力差 PID, AVQ, REM, LRED, PIP现有算法 的缺陷Date8基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究负载自适应的主动队列管理算法 AOPCAQM控制器TCP/Queue 动态模块目标队列长度q0+ -丢弃概率p队列长度q负载预估参数优化分组 丢失率lvAQM控制器：比例控制器 (简单、计算开销低、扩展性高)v负载预估: 测量分组丢失率 (per-packet addition, one division in an interval, 流量负载自适应)v参数优化: 二阶最优控制系统模型 (参数优化、稳定性高、响应速度快)Date9基于主动队

6、列管理的分布式拥塞控制研究vAOPC分组丢弃概率的计算每隔mp时间周期测量分组丢失率每到达一个分组，计算其丢弃概率 比例控制参数定理定理 (AOPC(AOPC参数调节参数调节) )当AOPC的控制参数满足其中， 为负载调节因子，则TCP/AOPC渐近稳定并且为一个最优化的二阶系统。负载自适应的主动队列管理算法 AOPCDate10基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究负载自适应的主动队列管理算法 性能评估(a) PI(b) REM(c) PID(d) PIP(e) LRED(f) AOPCvBuffer Size = 200 packets, desired queue length q0 =

7、50 packets.vDumbbell topology, bottleneck link capacity = 10Mbps.v200 TCP flows start at t = 0s, additional 200 TCP flows join at t = 50s. RTTs are uniformly distributed in 60, 220 ms.Date11基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究负载自适应的主动队列管理算法 性能评估vParking-lot topology, bottleneck link R3-R4 configured with 2Mbps, and R

8、4-R5 with 10Mbps.v150 TCP flows traverse all links, 60 cross TCP flows in each bottleneck link.(a) PI(b) REM(c) PID(d) PIP(e) LRED(f) AOPCDate12基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究大时滞网络的拥塞控制 研究动机v网络测量结果表明，当访问国外站点时，RTT相对较大。v现有的AQM算法几乎都忽略了大延时对系统稳定性的影响。(a) PI(b) REM(c) DC-AQMDate13基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究大时滞网络的拥塞控制 研究动机AQM控制器

9、TCP/Queue 动态模块目标队列长度q0+ -丢弃概率p队列长度q Delay如何补偿纯延时单元给系统稳定性带来的负 面影响？?Date14基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究v模型分解：v定义内模控制器：v反馈控制器：大时滞网络的拥塞控制 IMC-PID最小相位部分不稳定部分(包括RHP零点、延时单元)Date15基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究定理定理 (IMC-PID(IMC-PID参数整定参数整定) )给定一个模型 ，假设其被分解成 和 两部分，包含所有的RHP零点和纯滞后环节， 为模型的稳定部分是最小相位的。令 ，如果 ，则可以采用PID控制器 来对系统进行校正，PID控制器

10、的参数配置如下：其中， 和 分别为 在 处的一阶导数和二阶导数。大时滞网络的拥塞控制 IMC-PID选择建立的TCP/Queue的模型 为内部模型 ，进而分解模型并按照定理计算出 ，便得到用于拥塞控制的IMC-PID控制器的三个控制参数。Date16基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究大时滞网络的拥塞控制 性能评估IMC-PID能够有效地消除延时对系统稳定性的影响，在大延时情况下，能够稳定其路由器缓存队列长度。Date17基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究大时滞网络的拥塞控制 性能评估(a) PI(c) DC-AQM(d) IMC-PID(b) REMDate18基于主动队列管理的分布式拥塞

11、控制研究高速网络的分布式拥塞控制 研究动 机行为高效率：充分利用网络 的带宽资源公平：各用户能够公平 共享网络资源，不侵犯 其他用户的资源拥塞控制 的理想性能性质稳定：从任意初始状态 到达平衡状态收敛性：指数收敛速度 、单调收敛性丢包率：零瞬态丢包和 零稳态丢包排队延时：零排队延时Date19基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究高速网络的分布式拥塞控制 研究动 机TCPVCP, EMKCXCP, RCP, JetMaxCLTCP局部稳定全局稳定局部稳定O(P)稳定性O(P)O(lnP)O(lnlnP)O(lnlnP)O(1)O(1)公平性高效率 上述协议在多瓶颈网络拓扑环境下可能表现出不稳定，

12、从而导致网络性能下降； 设计一个稳定性强、收敛速度快、公平性高，无排队、无丢包、高效率的协议便成为我 们研究分布式拥塞控制协议的基本出发点。Date20基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究高速网络的分布式拥塞控制 ARROW TCPv系统框架 ARROW (AcceleRate tRansmission towards Optimal Window size) 发送端和路由器都以同样的时间间隔为工作周期； 路由器根据max-price、min-rate原则将公平速率反馈给发送端。v发送端算法 控制方程目标拥塞窗口Pacing瓶颈链路的管理v路由器算法 公平速率PriceDate21基于主动队列

13、管理的分布式拥塞控制研究高速网络的分布式拥塞控制 ARROW TCP定理定理1 (1 (稳定性稳定性) )在任何网络拓扑和任意延时情况下，如果各用户流 r 的瓶颈链路相对不变，则用户 r 稳定其拥塞窗口到期望值 ，当且仅当定理定理2 (2 (单调收敛性单调收敛性) )ARROW TCP单调收敛到高效率传输和资源公平共享的性能状态，当且仅当定理定理3 (3 (收敛速度收敛速度) )ARROW TCP满足单调收敛条件后，能在常数时间内收敛到高效率传输和资源公平共享 的性能状态的速度，与链路带宽等网络参数无关，即收敛时间为O(1)。Date22基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究高速网络的分布式拥塞

14、控制 ARROW TCPIPv6实现方案Linux IPv4实现方案Date23基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究高速网络的分布式拥塞控制 ARROW TCPDate24基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究高速网络的分布式拥塞控制 性能评 估v单瓶颈链路，瓶颈链路带宽为100Mbps。v瓶颈路由器的缓存大小为1MB (约1000个数据包大小)。vFlow 1的RTT分别为400ms，50秒后，启动Flow 210，RTT为10ms。v仿真时间100秒。XCP稳定性和RTT以及链路带宽有关。RCP超调量很大，突发9个流后，总的发送 速率为链路带宽的10倍，必然造成大量瞬态丢包。(a) XCP(

15、b) RCP(c) ARROW TCPDate25基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究高速网络的分布式拥塞控制 性能评 估(c) XCP(d) RCP(e) ARROW TCP(a) 激活流的数量(b) XCP和RCP的丢包率Date26基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究高速网络的分布式拥塞控制 性能评 估v路由器的缓存为带宽延时乘积大小，尽量减少XCP和RCP的丢包率。v仿真时间120秒。(a) XCP(b) RCP(c) ARROW TCPDate27基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究工作总结v提出了一种路由器负载自适应的主动队列管理算法； 简单、扩展性高； 参数自调节； 综合性能高。v设计了一种用于大时滞网络拥塞控制的主动队列管理算法； 稳定性强； 网络利用率高。v提出了一种快速、有效、公平的显式传输控制协议。 稳定性强 (多瓶颈链路和Web流环境)； 收敛速度快； max-min公平； 零丢包率、零排队、高链路利用率。Date28基于主动队列管理的分布式拥塞控制研究未来工作展望v基于Linux的大规模软硬件实验床；v基于博弈论分析异构拥塞控制协议的Na