CN101079816A - 一种基于网络状态参数估计的快速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适于Internet网络的快速控制比例－积分(Fast Control Proportional－Integral，FCPI)方法，采用对所述传统PI方法的三个重要参量(链路容量C、活动的TCP连接数N、平均往返时延R)进行动态估计，得出主动丢包概率，从而使中间节点根据主动丢包概率进行主动丢包。以解决现有PI方法在Internet网络中反应速度慢、鲁棒性和适应差的问题。通过对三个重要参数的估计，提高了Internet网络反应速度，增强了网络的鲁棒性和适应性。

Description

一种基于网络状态参数估计的快速控制方法

技术领域

本发明属于拥塞控制领域，涉及一种比例-积分方法，特别是一种适于Internet网络的快速控制比例-积分方法。

背景技术

在Internet的发展史上，拥塞控制一直是维护网络高效运转的重要控制方式，也被视为网络研究的一个热点。拥塞控制分为端到端传输控制协议(TransferControl Protocol，TCP)和中间节点主动队列管理(Active Queue Management，AQM)。AQM通过对中间节点缓冲队列的管理，在队列未满之前选择主动丢包，这样可以在网络繁忙时减轻网络负担，从而避免因拥塞而发生丢包。在AQM方法中，确定主动丢包概率是方法的关键。

近年来新提出的AQM算法大体上可以分成两种——基于平衡优化和基于反馈控制理论。基于反馈控制理论的各种算法大都基于TCP-AQM反馈控制模型，比例-积分(Proportional-Integral，PI)方法是反馈控制理论中具有代表性的方法。

PI方法中有三个重要的参量：C表示链路容量，N表示活动的TCP连接数，R表示平均往返时延。在传统的PI方法中，这三个量都被设定成定值，然后分别计算出了积分项系数K_I和比例项系数K_P。对这三个量的固定设置是不符合网络中千变万化的实际情况的，因此传统PI方法存在反应速度慢、鲁棒性和适应差的问题。

发明内容

本发明提供了一种适于Internet网络的快速控制比例-积分(Fast ControlProportional-Integral，FCPI)方法，采用对所述传统PI方法的三个重要参量(链路容量C、活动的TCP连接数N、平均往返时延R)进行动态估计，得出主动丢包概率，从而使中间节点根据主动丢包概率进行主动丢包。加快了现有PI方法反应速度，增强了现有方法的鲁棒性和适应性，从而更好地适应真实网络情况。

本发明提供了一种适用于Internet网络的FCPI方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.在路由器中建立一个识别活动连接的表数据结构，该表由三个属性列组成：TCP会话ID，该项记录的匹配次数，最新匹配时间。

2.利用活动连接识别表对到来的数据分组进行样本获取。

3.对获取的样本进行样本抽样，估计活动连结数；

4.对链路容量值进行估计；

5.利用活动连结数的估计值、链路容量的估计值和TCP-AQM模型进行对TCP流的往返时间进行估计；

6.根据所得的链路容量的估计值 活动连接数的估计值

和TCP流的往返时间估计值

可计算出积分项系数K_I和比例项系数K_P，即：

$K_P=2{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PI}}\sqrt{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PI}}^2+1}\frac{\hat{N}}{{\hat{R}}^2{\hat{C}}^2},K_I=\frac{2\hat{N}}{{\hat{R}}^2\hat{C}}{K}_P$

其中 ${\mathrm{\β}}_{\mathrm{PI}}=\frac{2\hat{N}}{\hat{R}\hat{C}}.$

7.计算参数a、b；路由器采取双线性变换的方式由积分项系数K_I和比例项系数K_P求得a，b两个参数，即：

$a=K_P+\frac{K_I}{2\mathrm{\ω}},b=K_P-\frac{K_I}{2\mathrm{\ω}}$

其中ω为数字化过程中抽样频率转化的角频率。

8.n时刻的丢包概率值p[n]由下式给出：

         p[n]＝a(q[n]-q₀)-b(q[n-1]-q₀)+p[n-1]

其中，a、b为所述常参数，q[n]表示在n时刻的队列即时长度，q₀是期望队列长度，q[n-1]为前一次的采样队列长度，p[n-1]为前一次丢弃的概率。

9.路由器根据所得的p[n]对用户终端发送的业务流中的数据分组进行主动的数据包丢弃。

步骤2中，当一个业务流从用户终端发送至路由器时，如果该活动连接识别表未满，则在活动连接识别表中增加该业务流的记录，记录该业务流的TCP会话ID，该项的匹配次数记为0，最新匹配时间为空值；同时路由器会取出该业务流的TCP会话ID并与活动链接识别表随机一项记录的TCP会话ID比较，如果两者的TCP会话ID匹配，则将原活动连接识别表中记录的匹配次数加1，同时更新该记录的最新匹配时间；

如果活动连接识别表已满，路由器就不将新接收的数据分组的信息写入该活动连接表内，这些数据分组将会被路由器直接丢弃。

步骤3中，如果发生了TCP会话ID匹配，则令匹配函数H(t)＝1，反之H(t)＝0；t为活动连接识别表中该记录的新匹配时间，再根据平滑函数P(t)＝(1-α)P(t-1)+αH(t)对匹配函数进行平滑以消除噪声，提高估计精确度，其中α为平滑参数，P(t)为该记录在所记录的最新匹配时间时的匹配概率；最后对P(t)求倒数， $\hat{N}=\frac{1}{P\left(t\right)},$ 所得的 即为估计的活动连接数。

步骤4中，路由器通过对用户终端发送的数据量进行实时流量统计来估计链路容量，即在用户终端发送业务流数据至路由器，路由器在最近时段时间内对这些业务流数据进行流量的统计，统计在这段时间内经过路由器转发的分组平均数量，并将所得的结果换算成单位时间内经过路由器转发的分组平均数量作为链路容量的估计值。

步骤5中，当路由器中的TCP-AQM控制系统居于稳定状态时，TCP流的拥塞窗口大小W(t)和路由器中的队列长度q(t)的一阶导数均为零，为了方便对TCP往返时间进行估计，可以近似的认为TCP-AQM控制系统居于稳定状态时：W(t-R(t))＝W(t)、R(t-R(t))＝R(t)且p(t-R(t))＝p(t)；则在AQM方法中，对于稳定状态下的路由器结点的丢包概率P₀同N、C、R之间有这样的关系：

${\left(\frac{N}{\mathrm{RC}}\right)}^2=\frac{P_0}{2}$

也就是说在TCP-AQM控制系统中，稳定状态时的路由器的丢包概率P₀可以用当时的活动连接数N、平均往返时间R和链路容量C来表示；路由器中用瞬时丢包概率P来取代稳态丢包概率P₀，则可得TCP流的往返时间估计值

$\hat{R}=\sqrt{\frac{2}{p}}\frac{\hat{N}}{\hat{C}}.$

该方法适用于Internet网络的拥塞控制中，且路由器中的TCP-AQM控制系统居于稳定状态。

步骤4所述的最近时间段的范围为200ms至500ms。

步骤3所述的平滑参数α是经验值，本方法中α的取值范围为0.1至0.2。

本发明的优点在于：

(1)对本方法的三个重要参量(链路容量C、活动的TCP连接数N、平均往返时延R)进行动态估计过程中，通过路由器的实时数据采集来对参数进行实时的处理，使反应速度大大加快；

(2)由于对本方法的三个参量进行动态估计过程中采取了平滑函数来消除噪声，并且TCP-AQM控制系统居于稳定状态时路由器进行数据估计，所估计参数值更具有普适性，增强了方法的鲁棒性和适应性。

附图说明

图1是本发明所应用的网络的结构简图；

图2是本方法的流程图；

图3是活动连接识别表的表结构图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种适于Internet网络的快速控制比例-积分(Fast ControlProportional-Integral，FCPI)方法，采用对所述传统PI方法的三个重要参量(链路容量C、活动的TCP连接数N、平均往返时延R)进行动态估计，得出主动丢包概率，从而使中间节点根据主动丢包概率进行主动丢包。

如图1所示，图1为本发明所应用的网络的结构简图，各用户终端通过中间节点进行业务流的相互通信，各用户终端可以是计算机、智能手机、GPS定位仪等，中间节点一般采用路由器来实现，路由器在所属的子网内完成数据采集、分析和转发等工作；子网和子网之间通过Internet进行通信。本方法中，路由器通过对业务流的数据分组进行实时采集、统计，对链路的链路容量C、活动的TCP连接数N和平均往返时延R进行动态的估计，从而得出主动丢包概率。然后路由器根据计算出的主动丢包概率进行主动丢包，实现拥塞控制，避免网络中的拥塞发生。在本实施例中，采用路由器型号为：CISCO 3825。

如图2所示，图2为本发明的流程图，本方法可分如下步骤：

1.在路由器中建立一个识别活动连接的表数据结构，如图3所示，图3为活动连接识别表的表结构图。该表由三个属性列组成：TCP会话ID，该项记录的匹配次数，最新匹配时间。

2.当一个业务流从用户终端发送至路由器时，如果该活动连接识别表未满，则在活动连接识别表中增加该业务流的记录，记录该业务流的TCP会话ID，该项的匹配次数记为0，最新匹配时间为空值；

路由器把到达的数据分组TCP会话ID的同已经接收到的某一个分组的TCP会话ID进行比较，如果二者相同，则称为一次“匹配”。假设经过网络某个路由器的业务流只有一个，那么每当这个路由器中间节点接收到一个IP数据分组时，这种“匹配”的概率应该是100％；随着业务流数目的增多，这个概率将下降。也就是说活动连接数越多，新到来数据分组同已存在的数据分组属于同一个TCP会话ID的概率就越小。如果两者的TCP会话ID匹配，则将原活动连接识别表中记录的匹配次数加1，同时更新该记录的最新匹配时间。

如果活动连接识别表已满，路由器就不将新接收的数据分组的信息写入该活动连接表内，这些数据分组将会被路由器直接丢弃。

其中，最新匹配时间是一个相对时间不是绝对时间，在活动连接识别表中，第一个数据分组到达路由器时为0时刻。如图3所示，TCP会话ID为38的分组匹配次数为3，最新匹配时间为5324ms；TCP会话ID为39的分组匹配次数为5，最新匹配时间为6560ms；TCP会话ID为40的分组匹配次数为1，最新匹配时间为6112ms。

3.如果发生了TCP会话ID匹配，则令匹配函数H(t)＝1，反之H(t)＝0；t为活动连接识别表中该记录的最新匹配时间，再根据平滑函数P(t)＝(1-α)P(t-1)+αH(t)对匹配函数进行平滑来消除噪声，平滑参数α为经验值，本方法中α的取值范围为0.1至0.2，P(t)为该记录在所记录的最新匹配时间时的匹配概率；最后对P(t)求倒数， $\hat{N}=\frac{1}{P\left(t\right)},$ 所得的 即为估计的活动连接数。

本实施例中，设定平滑参数α＝0.2，所记录的前一次匹配时间时的匹配概率P(t-1)＝0.1，该纪录的匹配函数H(t)＝0，由P(t)＝(1-α)P(t-1)+αH(t)，可得所记录的最新匹配时间时的匹配概率P(t)＝0.08，估计的活动连接数 $\hat{N}=\frac{1}{P\left(t\right)}=12.5$

4.路由器通过对用户终端发送的数据量进行实时流量统计来估计链路容量，即在用户终端发送业务流数据至路由器，路由器在最近时段的单位时间内对这些业务流数据进行流量的统计，统计在这段时间内经过路由器转发的分组平均数量，并将所得的结果换算成单位时间内经过路由器转发的分组平均数量作为链路容量的估计值。

比如最近200毫秒内AQM节点发送了1000个分组，那么我们就把5000分组/秒作为现在链路容量的估计值。

通常链路容量C的值一般被认为是比较固定的，只有在卫星网等一些特殊的应用条件下才会有大的跳变。

本实施例中，测量出最近200ms有1000个分组，则C＝5000分组/秒

5.对于TCP-AQM系统模型可以用微分方程近似描述：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{W}\left(t\right)=\frac{1}{R\left(t\right)}-\frac{W\left(t\right)W(t-R\left(t\right))}{2R(t-R\left(t\right))}p(t-R\left(t\right))\\ \stackrel{\·}{q}\left(t\right)=\frac{W\left(t\right)}{R\left(t\right)}N\left(t\right)-C\end{array}\right.$

其中W(t)为TCP流的拥塞窗口大小；R(t)为TCP流的往返时间；N(t)为共享同一链路TCP流的数目；q(t)为路由器中的队列长度；p(t)为报文丢失率；

当路由器中的TCP-AQM控制系统居于稳定状态时，则TCP流的拥塞窗口大小W(t)和路由器中的队列长度q(t)的一阶导数均为零，可以近似的认为TCP-AQM控制系统居于稳定状态时，链路中数据分组传输稳定，TCP流的拥塞窗口W(t)、TCP流的往返时间R(t)、报文丢失率p(t)的值不受TCP流往返所产生的时间延迟R(t)影响，则W(t-R(t))＝W(t)、R(t-R(t))＝R(t)且p(t-R(t))＝p(t)；则在AQM方法中，稳定状态的路由器结点的丢包概率P₀同N、C、R之间有这样的关系：

${\left(\frac{N}{\mathrm{RC}}\right)}^2=\frac{P_0}{2}$

也就是说在TCP-AQM控制系统中，稳定状态下的路由器的丢包概率P₀可以用当时的活动连接数N、平均往返时间R和链路容量C来表示。为了方便原始信息的获取，路由器用瞬时丢包概率P来取代稳态丢包概率P₀，可得TCP流的往返时间估计值

$\hat{R}=\sqrt{\frac{2}{p}}\frac{\hat{N}}{\hat{C}}$

本实施例中，本时刻瞬时丢包概率P为0.5，由 $\hat{R}=\sqrt{\frac{2}{p}}\frac{\hat{N}}{\hat{C}}$ 得到 $\hat{R}=5\mathrm{ms},$ 即0.005秒。

6.根据所得的链路容量的估计值

活动连接数的估计值

和TCP流的往返时间估计值

可计算出积分项系数K_I和比例项系数K_P，即：

$K_P=2{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PI}}\sqrt{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PI}}^2+1}\frac{\hat{N}}{{\hat{R}}^2{\hat{C}}^2},K_I=\frac{2\hat{N}}{{\hat{R}}^2\hat{C}}{K}_P$

其中 ${\mathrm{\β}}_{\mathrm{PI}}=\frac{2\hat{N}}{\hat{R}\hat{C}}.$

本实施例中，得比例项系数K_P＝0.5656，积分项系数K_I＝11.32。

7.计算参数a、b；路由器采取双线性变换的方式由积分项系数K_I和比例项系数K_P求得a，b两个参数，即：

$a=K_P+\frac{K_I}{2\mathrm{\ω}},b=K_P-\frac{K_I}{2\mathrm{\ω}}$

其中ω为数字化过程中抽样频率转化的角频率。

本实施例中，抽样频率f＝160Hz，则ω＝160×2π＝2009.6，由 $a=K_P+\frac{K_I}{2\mathrm{\ω}}$ 和 $b=K_P+\frac{K_I}{2\mathrm{\ω}}$ 得，a＝0.5712，b＝0.05096。

8.n时刻的丢包概率值p[n]由下式给出：

           p[n]＝a(q[n]-q₀)-b(q[n-1]-q₀)+p[n-1]

其中，a、b为所述常参数，q[n]表示在n时刻的队列即时长度，q₀是期望队列长度，q[n-1]为前一次的采样队列长度，p[n-1]为前一次丢弃的概率。

本实施例中，n时刻的队列即时长度q[n]＝57，n-1时刻的队列即时长度q[n-1]＝55，期望队列长度q₀＝50，前一次丢弃的概率p[n-1]＝0.3，则可得n时刻的丢包概率值p[n]＝0.4452。

9.路由器根据所得的p[n]对用户终端发送的业务流中的数据分组进行主动的数据包丢弃。

Claims (8)

1.一种基于网络状态参数估计的快速控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤一：在路由器中建立一个识别活动连接的表数据结构，该表由三个属性列组成：TCP会话ID，该项记录的匹配次数，最新匹配时间；

步骤二：利用活动连接识别表对到来的数据分组进行样本获取；

步骤三：对获取的样本进行样本抽样，估计活动连结数；

步骤四：对链路容量值进行估计；

步骤五：利用活动连结数的估计值、链路容量的估计值和TCP-AQM模型进行对TCP流的往返时间进行估计；

步骤六：根据所得的链路容量的估计值

活动连接数的估计值

和TCP流的往返时间估计值

可计算出积分项系数K_I和比例项系数K_P，即：

$\begin{array}{cc}{K}_P=2{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PI}}\sqrt{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{PI}}^2+1}\frac{\hat{N}}{{\hat{R}}^2{\hat{C}}^2}& K_I=\frac{2\hat{N}}{{\hat{R}}^2\hat{C}}{K}_P\end{array}$

其中： ${\mathrm{\β}}_{\mathrm{PI}}=\frac{2\hat{N}}{\hat{R}\hat{C}};$

步骤七：计算参数a、b；路由器采取双线性变换的方式由积分项系数K_I和比例项系数K_P求得a，b两个参数，即：

$\begin{array}{cc}a=K_P+\frac{K_I}{2\mathrm{\ω}}& b=K_P-\frac{K_I}{2\mathrm{\ω}}\end{array}$

其中ω为数字化过程中抽样频率转化的角频率；

步骤八：n时刻的主动丢包概率值p[n]由下式给出：

p[n]＝a(q[n]-q₀)-b(q[n-1]-q₀)+p[n-1]

其中，a、b为所述常参数，q[n]表示在n时刻的队列即时长度，q₀是期望队列长度，q[n-1]为前一次的采样队列长度，p[n-1]为前一次丢弃的概率；

步骤九：路由器根据所得的p[n]对用户终端发送的业务流中的数据分组进行主动的数据包丢弃。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络状态参数估计的快速控制方法，其特征在于：步骤二中，当一个业务流从用户终端发送至路由器时，如果该活动连接识别表未满，则在活动连接识别表中增加该业务流的记录，记录该业务流的TCP会话ID，该项的匹配次数记为0，最新匹配时间为空值；同时路由器会取出该业务流的TCP会话ID并与活动链接识别表随机一项记录的TCP会话ID比较，如果两者的TCP会话ID匹配，则将原活动连接识别表中记录的匹配次数加1，同时更新该记录的最新匹配时间；

如果活动连接识别表已满，路由器就不将新接收的数据分组的信息写入该活动连接表内，这些数据分组将会被路由器直接丢弃。

3.根据权利要求1所述的一种基于网络状态参数估计的快速控制方法，其特征在于：步骤三中，如果发生了TCP会话ID匹配，则令匹配函数H(t)＝1，反之H(t)＝0；t为活动连接识别表中该记录的新匹配时间，再根据平滑函数P(t)＝(1-α)P(t-1)+αH(t)对匹配函数进行平滑以消除噪声，提高估计精确度，其中α为平滑参数，P(t)为该记录在所记录的最新匹配时间时的匹配概率；最后对P(t)求倒数， $\hat{N}=\frac{1}{P\left(t\right)},$ 所得的

即为估计的活动连接数。

4.根据权利要求1所述的一种基于网络状态参数估计的快速控制方法，其特征在于：步骤四中，路由器通过对用户终端发送的数据量进行实时流量统计来估计链路容量，即在用户终端发送业务流数据至路由器，路由器在最近时段时间内对这些业务流数据进行流量的统计，统计在这段时间内经过路由器转发的分组平均数量，并将所得的结果换算成单位时间内经过路由器转发的分组平均数量作为链路容量的估计值。

5.根据权利要求1所述的一种基于网络状态参数估计的快速控制方法，其特征在于：步骤五中，当路由器中的TCP-AQM控制系统居于稳定状态时，TCP流的拥塞窗口大小W(t)和路由器中的队列长度q(t)的一阶导数均为零，为了方便对TCP往返时间进行估计，可以近似的认为TCP-AQM控制系统居于稳定状态时：W(t-R(t))＝W(t)、R(t-R(t))＝R(t)且p(t-R(t))＝p(t)；则在AQM方法中，对于稳定状态下的路由器结点的丢包概率P₀同N、C、R之间有这样的关系：

${\left(\frac{N}{\mathrm{RC}}\right)}^2=\frac{P_0}{2}$

也就是说在TCP-AQM控制系统中，稳定状态时的路由器的丢包概率P₀可以用当时的活动连接数N、平均往返时间R和链路容量C来表示；路由器中用瞬时丢包概率P来取代稳态丢包概率P₀，则可得TCP流的往返时间估计值

$\hat{R}=\sqrt{\frac{2}{p}}\frac{\hat{N}}{\hat{C}}.$

6.根据权利要求1所述的一种基于网络状态参数估计的快速控制方法，其特征在于：该方法适用于Internet网络的拥塞控制中，且路由器中的TCP-AQM控制系统居于稳定状态。

7.根据权利要求1所述的一种基于网络状态参数估计的快速控制方法，其特征在于：步骤四所述的最近时间段的范围为200ms至500ms。

8.根据权利要求1所述的一种基于网络状态参数估计的快速控制方法，其特征在于：步骤三所述的平滑参数α是经验值，本方法中α的取值范围为0.1至0.2。

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