專利名稱：主動(dòng)隊(duì)列管理的分類器實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
路由器隊(duì)列管理和擁塞控制領(lǐng)域背景技術(shù)本發(fā)明改進(jìn)了現(xiàn)有的主動(dòng)隊(duì)列管理(Active Queue Management，AQM)方法。
最初，第2309號征求意見文件(RFC2309)推薦RED(隨機(jī)早期檢測)方法為唯一的AQM實(shí)現(xiàn)方法，但試驗(yàn)研究和理論分析表明RED在某些網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中表現(xiàn)出不穩(wěn)定或不公平。為了增強(qiáng)RED方法的魯棒性，研究者提出了一系列的RED變種方法，典型的有StabilizedRED(穩(wěn)定RED)、Balanced RED(平衡RED)、Adaptive RED(自適應(yīng)RED)、Self-ConfiguringRED(自配置RED)、Weighted RED(加權(quán)RED)和gentle-RED(溫和RED)等。此外，也產(chǎn)生了一些新的策略，主要有BLUE、REM(隨機(jī)指數(shù)標(biāo)記)、PI(比例積分)控制器、模糊邏輯控制器、SMVS和AVQ(自適應(yīng)虛擬隊(duì)列)等。
總結(jié)上述已有的方法和策略，除AVQ引入虛隊(duì)列概念輔助分組丟棄決策之外，所有的方法在確定是否丟棄分組時(shí)，全部沿用了RED的概率丟棄機(jī)制，不同之處主要表現(xiàn)在概率的計(jì)算和更新方法上。概率丟棄雖然是實(shí)現(xiàn)AQM的一種有效手段，但確定是否丟棄新到達(dá)分組的過程本質(zhì)上是一個(gè)基于一定優(yōu)化目標(biāo)的決策過程，決策的正確性取決于依賴信息的充分性和可靠性。概率丟棄機(jī)制是通過某種函數(shù)將諸如隊(duì)列長度、分組到達(dá)速率和鏈路利用率等觀測變量描述的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)信息映射為0和1之間的數(shù)，然后與實(shí)時(shí)生成的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行比較，從而決策是否丟棄新到達(dá)分組。因?yàn)椴煌臓顟B(tài)觀測變量往往具有不同的物理屬性，所以很難構(gòu)造簡單函數(shù)融合來自不同擁塞觀測變量的信息，并最終轉(zhuǎn)化為一個(gè)簡單的數(shù)。正因如此，在計(jì)算或更新分組丟棄概率時(shí)，已有的大多數(shù)AQM方法往往只能考慮單個(gè)變量，譬如RED及其變種方法中的平均隊(duì)長或瞬時(shí)隊(duì)長，BLUE中的鏈路利用率，PI控制器中的隊(duì)長變化速率等。另一方面，生成隨機(jī)數(shù)的計(jì)算開銷在高性能路由器的設(shè)計(jì)中也是一個(gè)不可回避的問題。
此外，典型的AQM策略在公平性方面均存在缺陷。雖然RFC2309的表述認(rèn)為保證公平性的主要是隊(duì)尾的調(diào)度機(jī)制，諸如類似于FQ(公平調(diào)度排隊(duì)法)的每流調(diào)度方法和CBQ(分類排隊(duì)法)這樣基于類的調(diào)度機(jī)制；而作用于隊(duì)首的AQM策略的主要任務(wù)是控制隊(duì)列長度，實(shí)現(xiàn)鏈路利用率和排隊(duì)延時(shí)的合理平衡。但是，如果AMQ策略不能達(dá)到必要的公平性，隊(duì)列發(fā)生類似于尾丟棄策略中的“死鎖”現(xiàn)象，大量的緩存被個(gè)別流占用，隊(duì)尾有再好的調(diào)度方法也無濟(jì)于事。分析和試驗(yàn)的結(jié)論表明在存在多擁塞網(wǎng)關(guān)的環(huán)境下，劣勢業(yè)務(wù)流往往被優(yōu)勢業(yè)務(wù)流“擊倒”，窗口得不到爬升的機(jī)會(huì)。Balanced RED和FRED(流RED)嘗試著增強(qiáng)RED的公平性，但它們都需要在路由器上保持每流的狀態(tài)，可擴(kuò)展性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為主動(dòng)隊(duì)列管理設(shè)計(jì)一種簡潔有效的新方法。它能在保持較高的鏈路利用率的同時(shí)，將隊(duì)列長度保持在一個(gè)較小的恒定值附近，并能有效增強(qiáng)現(xiàn)有方法的公平性，具有很好的后向兼容性和擴(kuò)展性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)簡單。
它的特點(diǎn)如下●本方法放棄流行的概率分組丟棄機(jī)制，基于模式識別理論為主動(dòng)隊(duì)列管理提出一種分類器設(shè)計(jì)思想，根據(jù)這一思路設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)簡單、擴(kuò)展性好；●本方法按照分類器設(shè)計(jì)思想，應(yīng)用Fisher線性判別函數(shù)方法，根據(jù)擁塞控制觀測變量的訓(xùn)練樣本集合給出一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)方法；●本方法通過擴(kuò)展ECN(Explicit Congestion Notification，顯式擁塞通知)引入了顯式公平性增強(qiáng)機(jī)制，并在選用觀測變量時(shí)加入了一個(gè)公平指數(shù)來保證AQM的分類器實(shí)現(xiàn)方法滿足基本的公平性要求；●本方法的實(shí)現(xiàn)非常簡單，它不需要象已有大多數(shù)AQM方法那樣計(jì)算概率和生成隨機(jī)數(shù)，也不需要象AVQ那樣維護(hù)虛隊(duì)列，通過簡單的運(yùn)算即可完成所有操作，這對高性能路由器的優(yōu)化非常有利；本發(fā)明的特征在于，該方法依次含有以下步驟步驟(1)路由器設(shè)定二維兩類分類器的參數(shù)值，w11＝0.0058，w12＝0.0028，w10＝0.0589，三維兩類分類器的參數(shù)值，w21＝0.0006，w22＝0.0005，w23＝0.0255，w20＝0.0356，公平享用值fs，初始化為fs1常量，公平享用值fs的加權(quán)因子α＝7/8，隊(duì)列長度目標(biāo)值q0，隊(duì)列長度的瞬時(shí)采樣值q1和q2，其中，q1是t1時(shí)刻的隊(duì)列長度，q2是t2時(shí)刻的隊(duì)列長度，t2為當(dāng)前時(shí)刻，t2＞t1，t2時(shí)刻的隊(duì)列長度與隊(duì)列長度目標(biāo)值q0之差x1，t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的隊(duì)列長度的變化值x2，公平指數(shù)x3，x3＝cwnd/fs，該cwnd為所記錄的分組中攜帶的發(fā)送端窗口的大小，
含有隊(duì)列長度在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)觀測變量的采樣周期T，last_time為系統(tǒng)時(shí)間，以判斷是否到達(dá)下一個(gè)采樣周期，初始值為當(dāng)前時(shí)刻；步驟(2)等待新的分組到來若在下一時(shí)刻，有新的分組到來，判斷當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間是否到達(dá)last_time+T秒，若已到達(dá)，則執(zhí)行步驟(3)，若未到達(dá)，則執(zhí)行步驟(6)；步驟(3)采集瞬時(shí)隊(duì)列長度q2；步驟(4)令x1＝q2-q0；x2＝q2-q1；步驟(5)把last_time賦值為采集瞬時(shí)隊(duì)列長度q2時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間；步驟(6)判斷新到來分組的顯式公平增強(qiáng)機(jī)制位EFE的值，EFE位為1時(shí)表示支持公平增強(qiáng)機(jī)制，EFE位為0時(shí)表示不支持公平增強(qiáng)機(jī)制若EFE位為0，則執(zhí)行步驟(7)，否則，執(zhí)行步驟(9)；步驟(7)按二維兩類分類器分類若(w11×x1+w12×x2)＞w10，則丟棄此分組，轉(zhuǎn)至步驟(8)，若(w11×x1+w12×x2)＜w10，則把此分組插入隊(duì)列中；步驟(8)轉(zhuǎn)至步驟(2)；步驟(9)采集cwnd，然后按以下步驟進(jìn)行三維兩類分類器分類步驟(9.1)令fs＝fs×α+cwnd×(1-α)，x3＝cwnd/fs；步驟(9.2)判斷若(w21×x1+w22×x2+w23×x3)＞w20，則丟棄此分組，否則，把此分組插入隊(duì)列中；步驟(10)轉(zhuǎn)至步驟(2)，循環(huán)執(zhí)行，直至結(jié)束。
基于ns2.19b網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的性能仿真結(jié)果表明主動(dòng)隊(duì)列管理的分類器實(shí)現(xiàn)方法是一種有效、敏捷和穩(wěn)健的AQM實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)有效增強(qiáng)了公平性，并具有很好的后向兼容性。


圖1二維訓(xùn)練樣本集合； 圖2支持EFE的擴(kuò)展IP分組頭；圖3三維訓(xùn)練樣本集合； 圖4TCC-EFE方法的流程框圖；圖5TCC測試仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖6RED隊(duì)列長度曲線；圖7PI隊(duì)列長度曲線；
圖8AVQ隊(duì)列長度曲線；圖9TCC隊(duì)列長度曲線；圖10TCC-EFE測試仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖11TCC-EFE公平性測試結(jié)果(a)RED (b)PI (c)REM (d)AVQ (e)TCC(f)TCC-EFE圖12TCC-EFE后向兼容性測試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
TCP終端系統(tǒng)和路由器中的AQM調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是控制理論中一個(gè)典型的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過AQM調(diào)節(jié)器有目的丟棄或標(biāo)記一些分組產(chǎn)生控制信號，TCP終端系統(tǒng)加以響應(yīng)，最終將路由器隊(duì)列保持在一個(gè)期望值附近。為探測可能發(fā)生的擁塞，路由器可以利用各種各樣的觀測信息決定是否丟棄分組，這些信息包括隊(duì)列長度、鏈路利用率和分組到達(dá)速率等。假定觀察并預(yù)測網(wǎng)絡(luò)潛在擁塞的狀態(tài)變量有n個(gè)，它們一起構(gòu)成了一個(gè)n維狀態(tài)空間。該空間中的任意一點(diǎn)對應(yīng)于路由器的一種工作狀態(tài)，AQM方法的功能即是輔助該狀態(tài)下的路由器作出接收或者丟棄(包括標(biāo)記)新到達(dá)分組的決策。從這一意義上講，AQM調(diào)節(jié)器等價(jià)于一個(gè)具有多維度的兩類分類器，因此，可以通過設(shè)計(jì)分類器來得到所需的AQM方法，也就是在AQM技術(shù)目標(biāo)的約束下，通過監(jiān)督學(xué)習(xí)，構(gòu)造超平面將n維狀態(tài)空間分為兩部分。主動(dòng)隊(duì)列管理的分類器實(shí)現(xiàn)方法，就是根據(jù)上述原理為AQM設(shè)計(jì)的一個(gè)三維的兩類分類器實(shí)現(xiàn)方法。
首先說明二維的兩類分類器的實(shí)現(xiàn)方法。選擇瞬時(shí)隊(duì)列長度q和它的變化速率Δq作為網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)的觀測變量，它們構(gòu)成了一個(gè)2維狀態(tài)平面。這兩個(gè)觀測變量容易獲得，并且與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)有密切的聯(lián)系。為得到觀測變量的值，以周期T采樣隊(duì)列長度，得到時(shí)間序列q(kT)(k＝1，2...；t＝kT)。為方便起見，定義差分Δq(kT)＝q(kT)-q((k-1)T)為隊(duì)列長度的變化速率。
為進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)，需要一些訓(xùn)練樣本，它們構(gòu)成兩個(gè)2維列向量集合，即Y^1={(ei(kT),Δei(kT))t,i=1,2,3...n1}]]>和Y^2={(ej(kT),Δej(kT))t,j=1,2,3...n2}.]]>其中，e(kT)＝q(kT)-q0(q0為期望隊(duì)列長度)，Δe(kT)＝e(kT)-e((k-1)T)＝Δq(kT)。這里 和 分別表示接收和丟棄分組的狀態(tài)集合。也就是說，當(dāng)路由器工作于 中元素確定的某一狀態(tài)時(shí)，它將接收新到達(dá)分組；而 集合中的任意狀態(tài)都會(huì)使路由器丟棄分組。起初，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定一組初始值，然后通過大量的仿真試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，最終得到如下結(jié)果Y^1={(-28,18)t,(-28,0)t,(-28,18)t,(-21,27)t,(-21,9)t,(-21,-9)t,(-21,-27)t,]]>(-14,18)t,(-14,0)t,(-14,18)t,(-7,9)t,(-7,-9)t,(-7,-27)t,(0,18)t,(0,0)t,]]>
(0,-18)t,(7,9)t,(7,-9)t,(7,-27)t,(14,0)t,(14,-18)t,(21,-27)t}]]>Y^2={(-7,27)t,(7,27)t,(14,18)t,(21,27)t,(21,9)t,(21,-9)t,(28,18)t,(28,0)t,]]>(28,-18)t,(35,27)t,(35,9)t,(35,-9)t,(35,-27)t,(28,18)t,(28,0)t,(28,-18)t}]]>為直觀起見，將它們表示在圖1中。
建立了訓(xùn)練樣本集合后，應(yīng)用經(jīng)典的Fisher線性判別方法為AQM設(shè)計(jì)二維線性分類器，即尋找一個(gè)合適的矢量w，使樣本在其上的投影具有很好的分離度。為此，定義各類樣本均值mi和樣本內(nèi)離散度simi=1niΣy∈Y^iy i=1,2---(1)]]>si2=Σy∈Y^i(y-mi)2i=1,2---(2)]]>那么使Fisher準(zhǔn)則函數(shù)J(w→)=|m1-m2|2s12+s22---(3)]]>最大化的投影方向即為 的解，它使得類均值之差(m1-m2)達(dá)到最大，同時(shí)保證了各樣本內(nèi)部盡量密集。由于篇幅所限，這里直接給出 的顯式解。
如下定義樣本均值向量 樣本類內(nèi)離散度矩陣 和總類內(nèi)離散度矩陣 m→i=1niΣx→∈Y^ix→i=1,2---(4)]]>S→i=Σx→∈Y^i(x→-m→i)(x→-m→i)ti=1,2---(5)]]>S→w=S→1+S→2---(6)]]>則， 的解為w→=S→w-1(m→1-m→2)---(7)]]>選定分界閾值點(diǎn)w0為w0=1n1Σx→∈Y^1w→tx+1n2Σx→∈Y^2w→tx2---(8)]]>則兩類分類器的決策規(guī)則如下w→tx≤w0>w0→x∈Y^1Y^2---(9)]]>(其中，若v為向量，則vt表示其轉(zhuǎn)置向量，v-1表示其逆向量)。將圖1中的樣本數(shù)據(jù)代入(4)～(9)式，得到w→=(0.0058,0.0028)t]]>w0＝0.0589 (10)至此，得到了一個(gè)二維兩類分類器，為方便論述，將它稱為TCC(Two-Category Classifier)方法。下面說明在此二維分類器的基礎(chǔ)上如何加入第三維變量，以增強(qiáng)其公平性。
為了用一種簡單且可實(shí)踐的方法增強(qiáng)AQM方法的公平性，我們采用了一種新機(jī)制，它的工作方式如下為了使中間節(jié)點(diǎn)充分了解獨(dú)立的TCP連接占用鏈路的信息，發(fā)送者可以將其當(dāng)前的擁塞窗口大小插入IP分組頭的可選域內(nèi)，中間節(jié)點(diǎn)取出該值用指數(shù)加權(quán)滑動(dòng)平均算法(EWMA)計(jì)算帶寬公平享用值FSFS←FS×α+cwnd×(1-α) (11)這里，α是加權(quán)因子。當(dāng)TCP連接的擁塞窗口cwnd大于公平享用值FS且有擁塞發(fā)生時(shí)，那么屬于這個(gè)連接的分組將首先被丟棄，以防止阻塞其他流的分組。我們將這種機(jī)制命名為顯式公平增強(qiáng)機(jī)制(EFE)。考慮到向后兼容性，IP分組頭Flags(標(biāo)志)域中的保留位被定義為EFE位，如果發(fā)送者將該比特位置為1，表明終端系統(tǒng)上的傳輸協(xié)議是支持EFE機(jī)制的。支持EFE擴(kuò)展的IP分組頭如圖2所示，可選域分類指定為1，代號32(01000)，16比特用于搭載發(fā)送者當(dāng)前的擁塞窗口。
為量化描述公平性，定義指數(shù)ff=cwnd/FS---(12)]]>這里cwnd和FS分別是擁塞窗口大小和公平享用值。將f作為三維分類器的第三維變量。當(dāng)f＝1.0時(shí)，連接公平分享鏈路資源，訓(xùn)練樣本和TCC中的一樣；當(dāng)f大于1時(shí)，表明連接占用了過量資源，因此，路由器必須多丟一些屬于該連接的分組，而且f越大，被丟棄的分組應(yīng)該越多，反之亦然。依此為指導(dǎo)原則，通過大量的仿真試驗(yàn)，得到如圖3所示的訓(xùn)練樣本。
假定訓(xùn)練樣本集合Ω由n個(gè)訓(xùn)練樣本 組成，每個(gè)訓(xùn)練樣本都是一個(gè)3維列向量，其中n1個(gè)訓(xùn)練樣本屬于“接收”子集Ω1，n2個(gè)訓(xùn)練樣本屬于“丟棄”子集Ω2。定義線性組合y=w→tx→---(13)]]>
為一個(gè)3維列向量， 為 的轉(zhuǎn)置向量。與訓(xùn)練樣本相應(yīng)的n個(gè)點(diǎn)積集合y1，...，yn將落在兩個(gè)集合Y1和Y2內(nèi)，其幾何解釋為如果||w→||=1,]]>則元素yi是對應(yīng)的訓(xùn)練樣本 在 方向上的投影，如果找到一個(gè)方向使得“接收”樣本的投影落在一個(gè)相對集中的區(qū)間內(nèi)，而“丟棄”樣本的投影落在另一個(gè)區(qū)間內(nèi)，分類便容易實(shí)現(xiàn)。為尋找一個(gè)合適的矢量 定義各類樣本均值mi和樣本內(nèi)離散度simi=1niΣy∈Yii=1,2---(14)]]>si2=Σy∈Yi(y-mi)2i=1,2---(15)]]>那么使Fisher準(zhǔn)則函數(shù)J(w→)=|m1-m2|2s12+s22---(16)]]>最大化的投影方向既為 的解，它使得類均值之差(m1-m2)達(dá)到最大，同時(shí)保證了各樣本內(nèi)部盡量密集。由于篇幅所限，這里直接給出 的顯式解。
如下定義樣本均值向量 樣本類內(nèi)離散度矩陣 和總類內(nèi)離散度矩陣 m→i=1niΣx→∈Ω1x→i=1,2---(17)]]>S→i=Σx→∈Ω1(x→-m→i)(x→-m→i)ti=1,2---(18)]]>S→w=S→1+S→2---(19)]]>則， 的解為w→=S→w-1(m→1-m→2)---(20)]]>選定分界閾值點(diǎn)w0為w0=1n1Σx→∈Ω1w→tx+1n2Σx→∈Ω2w→tx2---(21)]]>則兩類分類器的決策規(guī)則如下w→tx≤w0>w0→x∈Ω1Ω2---(22)]]>將圖3中的樣本數(shù)據(jù)代入(1)～(9)式，得到w→=(0.0006,0.0005,0.0255)t,]]>w0＝0.0356.(23)
至此，得到了所需要的三維兩類分類器，為方便論述，將它稱為TCC-EFE方法。要在現(xiàn)有的Internet上推廣和實(shí)踐一種新的機(jī)制，理想的方案是逐漸過渡，最終完全替代。因此，新機(jī)制應(yīng)該具有一定的向后兼容性，即TCC-EFE方法應(yīng)該能夠正確處理報(bào)頭沒有進(jìn)行EFE擴(kuò)展的IP分組。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要將前面所述的TCC方法包含在TCC-EFE中，這樣，整個(gè)TCC-EFE方法的流程框圖如圖4所示。
本發(fā)明的特征在于，它是一種用于擁塞控制和避免的主動(dòng)隊(duì)列管理方法，依次含有以下步驟步驟(1)路由器設(shè)定二維兩類分類器的參數(shù)值，w11＝0.0058，w12＝0.0028，w10＝0.0589，三維兩類分類器的參數(shù)值，w21＝0.0006，w22＝0.0005，w23＝0.0255，w20＝0.0356，公平享用值fs，初始化為fs1常量，公平享用值fs的加權(quán)因子α＝7/8，隊(duì)列長度目標(biāo)值q0，隊(duì)列長度的瞬時(shí)采樣值q1和q2，其中，q1是t1時(shí)刻的隊(duì)列長度，q2是t2時(shí)刻的隊(duì)列長度，t2為當(dāng)前時(shí)刻，t2＞t1，t2時(shí)刻的隊(duì)列長度與隊(duì)列長度目標(biāo)值q0之差x1，t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的隊(duì)列長度的變化值x2，公平指數(shù)x3，x3＝cwnd/fs，該cwnd為所記錄的分組中攜帶的發(fā)送端窗口的大小，含有隊(duì)列長度在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)觀測變量的采樣周期T，last_time為系統(tǒng)時(shí)間，以判斷是否到達(dá)下一個(gè)采樣周期，初始值為當(dāng)前時(shí)刻；步驟(2)等待新的分組到來若在下一時(shí)刻，有新的分組到來，判斷當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間是否到達(dá)last_time+T秒，若已到達(dá)，則執(zhí)行步驟(3)，若未到達(dá)，則執(zhí)行步驟(6)；步驟(3)采集瞬時(shí)隊(duì)列長度q2；步驟(4)令x1＝q2-q0；x2＝q2-q1；步驟(5)把last_time賦值為采集瞬時(shí)隊(duì)列長度q2時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間；步驟(6)判斷新到來分組的顯式公平增強(qiáng)機(jī)制位EFE的值，EFE位為1時(shí)表示支持公平增強(qiáng)機(jī)制，EFE位為0時(shí)表示不支持公平增強(qiáng)機(jī)制若EFE位為0，則執(zhí)行步驟(7)，否則，執(zhí)行步驟(9)；步驟(7)按二維兩類分類器分類
若(w11×x1+w12×x2)＞w10，則丟棄此分組，轉(zhuǎn)至步驟(8)，若(w11×x1+w12×x2)＜w10，則把此分組插入隊(duì)列中；步驟(8)轉(zhuǎn)至步驟(2)；步驟(9)采集cwnd，然后按以下步驟進(jìn)行三維兩類分類器分類步驟(9.1)令fs＝fs×α+cwnd×(1-α)，x3＝cwnd/fs；步驟(9.2)判斷若(w21×x1+w22×x2+w23×x3)＞w20，則丟棄此分組，否則，把此分組插入隊(duì)列中；步驟(10)轉(zhuǎn)至步驟(2)，循環(huán)執(zhí)行，直至結(jié)束。
我們在NS2.19b網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了TCC和TCC-EFE方法，并對它們的性能進(jìn)行了測試。NS(Network Simulator，網(wǎng)絡(luò)模擬器)是一種通用的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，它是在互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的(網(wǎng)址http//www-mash.cs.berkeley.edu/ns/)，目前已被網(wǎng)絡(luò)研究者廣泛使用。NS2.19b為它的版本之一。
首先測試TCC方法的性能。采用圖5所示的啞鈴型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)A的緩沖為300個(gè)分組(分組缺省大小為1000bytes)，瓶頸鏈路的容量和傳播時(shí)延設(shè)定為(L，τ)，其他鏈路均為(10Mbps，5ms)。業(yè)務(wù)源分為三類，第一類包括N1個(gè)貪婪持久性的FTP(文件傳輸協(xié)議)業(yè)務(wù)；第二類由N2個(gè)突發(fā)性的HTTP(超文本傳輸協(xié)議)業(yè)務(wù)組成，其中每連接有10個(gè)會(huì)話業(yè)務(wù)，每個(gè)會(huì)話業(yè)務(wù)需要傳輸3幅頁面文件；第三類包括N3個(gè)服從負(fù)指數(shù)ON/OFF模型的非彈性UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)業(yè)務(wù)，空閑和突發(fā)時(shí)間間隔的均值分別為10s和1s。突發(fā)期間業(yè)務(wù)生成速率為40Kbps。為便于比較，分別用幾種流行的AQM策略控制隊(duì)列A。它們的參數(shù)配置如下RED最大/最小門限值分別設(shè)定為75/15個(gè)分組。
PI采樣頻率和期望隊(duì)列長度分別給定為160Hz和50個(gè)分組。
AVQ鏈路利用率的期望值γ和平滑因子α分別設(shè)定為0.98和0.15。
TCC設(shè)定期望隊(duì)列長度q0為50個(gè)分組，采樣周期為傳輸q0個(gè)分組所需時(shí)間。
為了在盡可能現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中評價(jià)包括有效性、響應(yīng)性和魯棒性等在內(nèi)的綜合性能。給定N1＝N2＝200，N3＝20，(L，τ)＝(15Mbps，50ms)。FTP業(yè)務(wù)源被進(jìn)一步均分為兩組，t＝0秒時(shí)啟動(dòng)第一組；t＝150秒時(shí)第二組啟動(dòng)，再過150秒后停止第二組FTP業(yè)務(wù)，啟動(dòng)HTTP業(yè)務(wù)，UDP業(yè)務(wù)在t＝450秒時(shí)啟動(dòng)，整個(gè)仿真試驗(yàn)持續(xù)600秒。跟蹤瞬時(shí)隊(duì)列長度的變化，結(jié)果描述在圖6～圖9中。
觀察圖6，RED敏感負(fù)載的缺陷再一次得到證實(shí)，當(dāng)持久性的FTP業(yè)務(wù)在t＝150秒增加到200時(shí)，隊(duì)列開始表現(xiàn)出幅度較大的振蕩。此外，非響應(yīng)性UDP業(yè)務(wù)流的干擾產(chǎn)生的負(fù)面影響也很明顯。PI控制器響應(yīng)性差的弱點(diǎn)在圖7中表現(xiàn)得比較明顯，300秒時(shí)一部分FTP結(jié)束會(huì)話，但因PI控制器響應(yīng)遲緩，遲遲不能將分組丟棄概率調(diào)節(jié)到一個(gè)較小的穩(wěn)定值附近，致使過多分組被丟棄，隊(duì)列被清空，鏈路得不到充分利用。新業(yè)務(wù)加入導(dǎo)致過長的暫態(tài)調(diào)節(jié)過程雖不會(huì)影響鏈路利用率，但卻無法有效控制隊(duì)列長度，進(jìn)而控制排隊(duì)延時(shí)，圖7中PI用了50多秒的時(shí)間完成這一過程算不上理想。AVQ沒有明確的隊(duì)長控制目標(biāo)，為了保持98％的鏈路利用率，對隊(duì)長的控制很保守，大多數(shù)時(shí)間瞬時(shí)隊(duì)長接近滿隊(duì)列，這不利于實(shí)現(xiàn)AQM平衡高鏈路利用率和低排隊(duì)延時(shí)的技術(shù)目標(biāo)。另一方面，AVQ非常敏感非響應(yīng)性業(yè)務(wù)流的干擾，幾乎很難到達(dá)預(yù)期的技術(shù)目標(biāo)，這一點(diǎn)圖8中450秒以后的隊(duì)長變化曲線反映的很清楚。反觀圖9，隊(duì)列長度自始至終在期望值附近抖動(dòng)，只是在狀態(tài)切換過程中出現(xiàn)了短暫的尖峰。UDP業(yè)務(wù)流的干擾使隊(duì)長擺動(dòng)幅度有微弱的增加，但不易覺察，證明TCC方法有很強(qiáng)的抗干擾能力。整個(gè)動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)表明TCC是一種有效、敏捷和穩(wěn)健的AQM實(shí)現(xiàn)方法。
接著，在NS2.19b上實(shí)現(xiàn)TCC-EFE方法，并采用圖10描述的“停車場”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置進(jìn)行仿真試驗(yàn)來驗(yàn)證TCC-EFE方法在公平性方面的改進(jìn)效果。其中具有不同RTT的TCP連接經(jīng)歷了不同的擁塞網(wǎng)關(guān)，為保持所有瓶頸鏈路具有相同負(fù)載，假定N10＝N21+N31+N41；N20＝N31+N41；N30＝N41。業(yè)務(wù)源和其他AQM策略的參數(shù)設(shè)置與TCC方法測試時(shí)的設(shè)置相同。從每一組業(yè)務(wù)源中選取一個(gè)FTP流，跟蹤它們的發(fā)送窗口，將結(jié)果表示在圖11中。
觀察圖11，與現(xiàn)有的各種AQM策略相比，TCC-EFE對公平性的增強(qiáng)是顯見的。為了方便比較，依照Raj Jain定義的公平性評價(jià)指數(shù)來評價(jià)各種策略的公平性FI=(Σin)2nΣinxi2---(24)]]>這里，xi是第i個(gè)經(jīng)過節(jié)點(diǎn)I5的TCP流發(fā)送的分組數(shù)。計(jì)算結(jié)果列在表1中表1各種AQM策略的公平性評價(jià)指數(shù)

最后，驗(yàn)證TCC-EFE方法的向后兼容性。為此，將四組FTP業(yè)務(wù)源中的一半配置成支持EFE機(jī)制，另一半不支持EFE機(jī)制。每組中任意選取一個(gè)EFE源和非EFE源，跟蹤它們的擁塞窗口，結(jié)果描述在圖12中。觀察圖12，支持EFE的TCP流，即便它經(jīng)歷了多個(gè)擁塞路由器，同樣有成功傳輸分組，增加窗口的機(jī)會(huì)；同時(shí)，經(jīng)歷單條瓶頸鏈路的EFE業(yè)務(wù)源也不可能壟斷網(wǎng)絡(luò)資源。但是，弱勢的非EFE流卻會(huì)被強(qiáng)勢的非EFE流排擠，得不到應(yīng)有的資源。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明支持EFE機(jī)制的主機(jī)能夠與不支持EFE機(jī)制的端系統(tǒng)共存于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，這為實(shí)現(xiàn)平滑過渡提供了技術(shù)保障；同時(shí)，隨著EFE機(jī)制逐漸被推廣應(yīng)用，公平性也將隨之動(dòng)態(tài)增強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.主動(dòng)隊(duì)列管理的分類器實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，該方法依次含有以下步驟步驟(1)路由器設(shè)定二維兩類分類器的參數(shù)值，w11＝0.0058，w12＝0.0028，w10＝0.0589，三維兩類分類器的參數(shù)值，w21＝0.0006，w22＝0.0005，w23＝0.0255，w20＝0.0356，公平享用值fs，初始化為fs1常量，公平享用值fs的加權(quán)因子a＝7/8，隊(duì)列長度目標(biāo)值q0，隊(duì)列長度的瞬時(shí)采樣值q1和q2，其中，q1是t1時(shí)刻的隊(duì)列長度，q2是t2時(shí)刻的隊(duì)列長度，t2為當(dāng)前時(shí)刻，t2＞t1，t2時(shí)刻的隊(duì)列長度與隊(duì)列長度目標(biāo)值q0之差x1，t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的隊(duì)列長度的變化值x2，公平指數(shù)x3，x3＝cwnd/fs，該cwnd為所記錄的分組中攜帶的發(fā)送端窗口的大小，含有隊(duì)列長度在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)觀測變量的采樣周期T，last_time為系統(tǒng)時(shí)間，以判斷是否到達(dá)下一個(gè)采樣周期，初始值為當(dāng)前時(shí)刻；步驟(2)等待新的分組到來若在下一時(shí)刻，有新的分組到來，判斷當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間是否到達(dá)last_time+T秒，若已到達(dá)，則執(zhí)行步驟(3)，若未到達(dá)，則執(zhí)行步驟(6)；步驟(3)采集瞬時(shí)隊(duì)列長度q2；步驟(4)令x1＝q2-q0；x2＝q2-q1；步驟(5)把last_time賦值為采集瞬時(shí)隊(duì)列長度q2時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間；步驟(6)判斷新到來分組的顯式公平增強(qiáng)機(jī)制位EFE的值，EFE位為1時(shí)表示支持公平增強(qiáng)機(jī)制，EFE位為0時(shí)表示不支持公平增強(qiáng)機(jī)制若EFE位為0，則執(zhí)行步驟(7)，否則，執(zhí)行步驟(9)；步驟(7)按二維兩類分類器分類若(w11×x1+w12×x2)＞w10，則丟棄此分組，轉(zhuǎn)至步驟(8)，若(w11×x1+w12×x2)＜w10，則把此分組插入隊(duì)列中；步驟(8)轉(zhuǎn)至步驟(2)；步驟(9)采集cwnd，然后按以下步驟進(jìn)行三維兩類分類器分類步驟(9.1)令fs＝fs×a+cwnd×(1-a)，x3＝cwnd/fs；步驟(9.2)判斷若(w21×x1+w22×x2+w23×x3)＞w20，則丟棄此分組，否則，把此分組插入隊(duì)列中；步驟(10)轉(zhuǎn)至步驟(2)，循環(huán)執(zhí)行，直至結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明屬于路由器隊(duì)列管理和擁塞控制領(lǐng)域，其特征在于，在依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定一組初始值，然后通過大量的仿真試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，建立二維兩類分類器和三維兩類分類器，其中，二維包括瞬時(shí)隊(duì)列長度與隊(duì)列長度目標(biāo)值之差，以及瞬時(shí)隊(duì)列長度的變化值，三維則要增加一個(gè)考慮顯式公平增強(qiáng)機(jī)制后的公平指數(shù)，由分組中攜帶的發(fā)送端窗口大小cwnd和前一時(shí)刻的公平享用值fs之比來確定；然后，當(dāng)新的分組到來時(shí)，在判斷是否采用顯式公平增強(qiáng)機(jī)制的基礎(chǔ)上按照不同的決策規(guī)則來判斷該分組是接收還是丟棄。本發(fā)明能在保持較高的鏈路利用率的同時(shí)，把隊(duì)列長度保持在一個(gè)較小的恒定值附近，并提高其公平性，同時(shí)有很好的兼容性和后向擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)也比較簡單。
文檔編號H04L12/56GK1885824SQ20061001214
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月7日
發(fā)明者任豐原, 林闖 申請人:清華大學(xué)