增強aqm以對抗無線損失的制作方法
【專利說明】
[0001] 對相關(guān)申請的交叉引用 本申請要求享有于2012年5月30日提交的美國專利申請序列號61/653, 143的優(yōu)先 權(quán)，所述專利申請?zhí)卮艘云淙績?nèi)容通過引用而并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本文所公開的主題涉及在面對可能被誤解釋為由于路由器處的數(shù)據(jù)擁塞所致的 數(shù)據(jù)損失的無線損失的情況下在處于主動隊列管理（AQM)之下的互聯(lián)網(wǎng)路由器緩沖器處創(chuàng) 建穩(wěn)定積壓（backlog)。
【背景技術(shù)】
[0003] 擁塞控制調(diào)整由終端系統(tǒng)注入到通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量，從而防止持續(xù)網(wǎng)絡(luò)過 載。在因特網(wǎng)中，這是典型地由傳輸控制協(xié)議（TCP)和隊列管理算法以分布式方式聯(lián)合實 現(xiàn)的任務(wù)。在運行于終端系統(tǒng)處的情況下，TCP將分組損失視為網(wǎng)絡(luò)過載的信號，并且在檢 測到任何損失時減緩或后退（backoff)數(shù)據(jù)流動速率。在運行于中間路由器的情況下，隊 列管理算法監(jiān)視路由器緩沖器的隊列長度，并且基于緩沖器占用而丟棄分組。
[0004] 主動隊列管理（AQM)是一類在20世紀(jì)90年代首次提出的隊列管理算法。與直到 緩沖器溢出才丟棄分組的傳統(tǒng)隊列管理算法相比，AQM基于從過去和/或目前的隊列長度 確定的丟棄率在緩沖器溢出之前概率性地丟棄分組。這將路由器緩沖器處的積壓保持為小 并且對終端系統(tǒng)的后退去同步。當(dāng)有效操作時，AQM將分組隊列穩(wěn)定化在低水平附近，使得 1)可以降低端到端延遲并且可以使延遲抖動平滑；2)維持充足緩沖器空間以吸收具有數(shù)據(jù) 突發(fā)的業(yè)務(wù)，并且3)瓶頸鏈路被保持積壓并且因而被完全利用。
[0005] 使用H-infinity控制理論來用于通過最小化由任何外部擾動強加的不確定性來 維持穩(wěn)定和小隊列大小的AQM公開于LiYu等人的文章"Designofparametertunable robustcontrollerforactivequeuemanagementbasedonH-infinitycontrol theory(用于基于H-infinity控制理論的主動隊列管理的參數(shù)可調(diào)的魯棒控制器的設(shè) W)"JournalofNetworkandComputerApplications ，% {展中。Yu 的論文公開了表示TCP過程和AQM策略的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其中隊列長度被用作輸出并且參 考隊列大小被用作輸入。通信錯誤和網(wǎng)絡(luò)擁塞被視為外部擾動。在論文中存在所提出的 AQM控制器（R-PID)與隨機早期檢測（RED)和其它常見AQM控制器的隊列大小的比較，其示 出Yu控制器提供了穩(wěn)定和小的隊列大小。然而，該現(xiàn)有技術(shù)控制器僅應(yīng)對有線網(wǎng)絡(luò)，即未 覆蓋無線損失。
[0006] 下一代網(wǎng)絡(luò)被預(yù)期為網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，包括有線和無線組件二者。無線網(wǎng)絡(luò)可能 超出接入網(wǎng)絡(luò)而延伸到回程網(wǎng)絡(luò)甚至是主干網(wǎng)絡(luò)。無線鏈路的特性構(gòu)成對基于可能在無線 環(huán)境中無法保持的某些原理設(shè)計的現(xiàn)有擁塞控制機制的巨大挑戰(zhàn)。更明顯地，通過無線鏈 路傳播的信號遭受嚴(yán)重的干擾、噪聲和傳播損失。通過無線鏈路傳輸?shù)姆纸M可能被損害到 超出錯誤控制代碼(如果有的話）的恢復(fù)能力的程度，并且因此被丟棄。這構(gòu)成除擁塞損失 之外的分組損失的另一原因，其被本發(fā)明人所發(fā)現(xiàn)。無線損失對擁塞控制的設(shè)計的含義是 兩面的。
[0007] 首先，TCP往往將無線損失誤解釋為擁塞損失并且沒有必要地后退或降低數(shù)據(jù)流 動速率，從而可能未充分利用網(wǎng)絡(luò)容量。該問題已經(jīng)激發(fā)文獻(xiàn)中的大量TCP變型；但是，這 不是本發(fā)明的聚焦點所在。而是，這基于以下事實：設(shè)計用于有線網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)AQM機制在具 有無線鏈路的網(wǎng)絡(luò)中拙劣地執(zhí)行，因為無線網(wǎng)絡(luò)中的分組損失更常見地是由于混亂的分組 和鏈路斷開，這是由于無線鏈路遭受在有線網(wǎng)絡(luò)中不存在的干擾、噪聲和傳播損失。
[0008] 其次，分組損失的額外源可能干擾AQM的正常操作，其經(jīng)由主動分組丟棄隱含地 與TCP通信。當(dāng)許多TCP流共享瓶頸無線鏈路時，不太可能的是它們中的大部分將同時經(jīng) 歷無線損失（除非鏈路損壞)。因此，由于無線損失引起的偽后退對所有流的聚合傳輸?shù)挠?響將會比在僅存在幾個流時不嚴(yán)重得多。無線鏈路將仍舊保持積壓。
[0009]K.Chavan等人的文章"ARobustActiveQueueManagementAlgorithmfor WirelessNetwork(用于無線網(wǎng)絡(luò)的魯棒主動隊列管理算法)"示出用于無線網(wǎng)絡(luò)中的瓶 頸節(jié)點的另一AQM算法。該文章可以在網(wǎng)站http://www.ee.iitb.ac.in/~karandi/pubs_ dir/preprints/kanchan_ram_belur_karandikar_ieeetcst.pdf中找到。根據(jù)該論文，無 線鏈路具有由于多徑衰落和移動性所致的時變?nèi)萘?。它描述了可以將隊列長度維持接近具 有作為外部擾動的時變鏈路容量的操作點的魯棒控制器設(shè)計方法?？刂破鞯脑O(shè)計是基于 H-infinity控制方法。同樣將該設(shè)計與RED算法和所提出的AQM在右邊（RQM)比較。該現(xiàn) 有技術(shù)同樣示出比RED快得多的穩(wěn)定的隊列大小和收斂。然而，雖然該現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)對無線 網(wǎng)絡(luò)，但是它在無線網(wǎng)絡(luò)中考慮帶寬變化而并未考慮無線損失。因此，該論文未能提供針對 無線損失的解決方案(這意味著緩沖器隊列可能在無線損失之下波動)。
[0010] 隨機早期檢測（RED)是最具代表性的AQM算法之一。然而，本發(fā)明人已經(jīng)確定， 它在無線損失之下未能維持穩(wěn)定積壓。如S.Floyd等人在"RandomEarlyDetection GatewaysforCongestionAvoidance(用于擁塞避免的隨機早期檢測網(wǎng)關(guān)Ti-a/751. Vol. 1，No. 4,1993年8月中提出的，RED證明了AQM在幫助網(wǎng)絡(luò)在高吞吐量 和低延遲的最佳區(qū)域中進(jìn)行操作方面的固有優(yōu)勢。然而，RED的參數(shù)調(diào)諧和新的變化由于 在理解TCP/AQM的動態(tài)特性方面的困難而不變地采用反復(fù)試驗的方法。
[0011]TCP/AQM的流體模型提供了用于AQM的系統(tǒng)設(shè)計和分析的基礎(chǔ)。參見例如， F.Kelly等人的"RateControlinCommunicationNetworks:ShadowPrices,ProportionalFairnessandStability(通信網(wǎng)絡(luò)中的速率控制：影子價格，比例公平和 穩(wěn)定性）"，J 辦eraTfesearcAVo1. 49，No. 3,第 237-252 頁， 1998 年 3 月；S.H.Low等人的"InternetCongestionControl(因特網(wǎng)擁塞控制 systemsVol. 22,No. 1，第 28-43 頁 2002 年 2 月；和V.Misra等人 的"Fluid-basedAnalysisofaNetworkofAQMRoutersSupportingTCPFlowswith anApplicationtoRED(利用對RED的應(yīng)用支持TCP流的AQM路由器的網(wǎng)絡(luò)的基于流體的 分析仏祖你^.，Vol. 30,No. 4,第151-160頁，2000年10月，其通過引用并入 于此。Low的基于優(yōu)化的方法將TCP/AQM解釋為用于解決利用最大化問題的分布式算法，遭 受容量約束。參見Kelly等人的文章和S.H.Low的"ADualityModelofTCPandQueue ManagementAlgorithms(TCP的二元模型和隊列管理算法於 Vol.ll，No. 4,第525-536頁，2003年8月。主要聚焦點在于平衡處得到的最優(yōu)解決方案。 然而，AQM的瞬態(tài)響應(yīng)大多被忽略。
[0012] 控制理論方法將因特網(wǎng)擁塞控制看作非線性控制系統(tǒng)。系統(tǒng)首先在其平衡附近線 性化以便分析平衡附近的TCP/AQM的動態(tài)特性。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)基于頻域分析的RED的參 數(shù)調(diào)諧和新AQM算法的設(shè)計，這在改進(jìn)AQM的瞬態(tài)響應(yīng)和確保線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面是強 大的。參見H.Han等人的"TCPNetworksStabilizedbyBuffer-BasedAQMs(通過基于 緩沖器的AQM穩(wěn)定化的TCP網(wǎng)絡(luò))"/￥oc. 〇/TSM 2004 年 3 月；C.V.Hollot等 人的"AnalysisandDesignofControllersforAQMRoutersSupportingTCPFlows(用于支持TCP流的AQM路由器的控制器的分析和設(shè)計 Vol. 47,No. 6, 2002 年 6 月；和S.H.Low等人的"LinearStabilityofTCP/REDanda ScalableControl(TCP/RED的線性