基于模糊滑模控制的主动队列管理算法的研究
于召霞
（哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院,黑龙江哈尔滨150080）
摘要:针对网络拥塞问题,提出一种基于模糊滑模控制的主动队列管理算法,能得到快速反应能力和良好的鲁棒性。模糊滑模控制算法用队列长度和微分作为主动队列的输入,通过动态测量包丢失率来调整模糊规则。与一些典型的主动队列算法相比,模糊滑模控制算法用较少的队列延迟交换吞吐量,而且能达到一个更高的吞吐量。并且,本算法可以在最少的模糊规则下被执行。
关键词:主动队列管理;模糊滑模;拥塞控制
中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1003-7241(2009)05-0031-04
1引言
在当前网络中,TCP(Transmission Control Protocol)拥塞控制机制被广泛应用于预防拥塞崩溃。但是因为网络规模迅速膨胀,更严重的包丢失和其他性能降低已经显现[1]。传统的端到端拥塞控制机制已经不能很好的解决网络的拥塞问题,可取的做法是用网络元件执行主动队列管理AQM(Active Queue Management)机制来改善TCP拥塞控制的性能。AQM最基本的功能是在拥塞发生前能够通过包丢失察觉初始的拥塞并且通知通信源。AQM所要达到的目标是加强拥塞控制和完成高链路利用率与低队列延迟之间的折中。
滑模控制SMC（Sliding Mode Control）是解决非线性控制问题的有效方法[2,3],它对于不确定项和干扰有很强的鲁棒性,网络拥塞控制中存在的不确定因素使滑模控制在网络拥塞控制中有很大的应用空间。但是,在SMC中系统对队列的不连续变化所引起的抖动将使缓冲器队列处于振荡状态,不稳定的队列长度将导致队列时延抖动,从而引起系统的不稳定。
本文研究的算法的目的就是同时维持稳定队列长度和最快的响应速度,以及得到最高的吞吐量和最低的队列延迟。但是,这两个主要缓冲池管理目标,高链路利用率和低队列延迟经常是相互冲突的。设计问题的基本原理是找到一个两个目标之间高性能的交替。
滑模控制系统中的滑动模态具有不变性,对于解决网络的复杂变化是一种理想选择。为了提高网络流量动态变化时的响应速度,我们采用滑模控制FSMC（Fuzzy Sliding Mode Control）作为AQM控制器。本文我们利用模糊逻辑来设计模糊滑模AQM。在FSMC中,我们用瞬时队列长度和它的微分来评估拥塞的程度。模糊规则通过包丢失率的度量来调整。根据模糊规则,在轻微拥塞程度时FSMC丢弃少量的入队包。
5仿真配置
网络拓扑的仿真一般是哑铃型拓扑:
这是两个路由器之间的单拥塞链路,这个链路的容量是10Mbps。两个路由器之间的传播延迟是20ms,其他的这些链路被均匀设定在20ms到60ms之间。因此,环路传播延迟均匀分布在120ms到280ms之间。全部的仿真时间设定为300s。平均包的大小是1000比特。每个路由器的缓冲池的最大容量是200个包。利用这个网络,我们仿真一个现实短周期的网络流和长生命周期的TCP流共存的通信情景。除了其他的包清单还有100个贪婪的FTP流共享瓶颈链路。脉冲时间和故障时间的平均值设为2s。脉冲时间过程中10个短周期源随意发送20个包。然后是间歇时间,没有短周期包流通过。接下来又是脉冲时间如此循环。我们用NS-2来模拟仿真,TCP-Reno做仿真传输代理[16]。
6结束语
本文描述了一个解决网络拥塞的新的AQM算法设计方法。主要的设计目标是快速有效的检测和控制拥塞。异构RTT下的稳定性分析激发模糊规则的重新调整,这就使得FSMC的稳定性独立于活动的流量的数量。
FSMC机制需要路由器定期测量包的丢失率和瞬时的队列长度。周期可以设定为秒级规模。因此,执行的复杂度是独立于包到达率的。
多次的仿真表明在一个多样化的环境下FSMC能达到令人满意的稳定性和快速的反应速度,而且在高吞吐量和低队列延迟得到了一个很好的折中,当TCP流和UDP流共存时各项性能都优于其他的AQM机制。
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