CN101562566B - 基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用计算机程序的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法。该方法包括的步骤有相关参数的定义以及初始化；对于计算平均队列的权值(w_q)动态调整；等待至新的数据包到达准备进行下一步计算；根据当前缓存占有率(B_r)的实时变化来调整参数和计算丢弃概率(P)并以丢弃概率(P)丢弃数据包。其中采用w_q＝(1.0-exp^(-1.0/C))×(1/B_r)计算计算平均队列的权值(w_q)的值。尤其是能够依据网络负载的变化而自适应的调整平均队列长度的最小阈值(min_th)和平均队列长度的最大阈值(max_th)的设置。从而达到改善RED方法依据经验值设定，使用静态参数不能与网络负载变化相符的不足。

Description

基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法 

技术领域

本发明涉及一种与路由器当前缓存占有率相关联的主动队列管理方法，更具体地说，本发明涉及一种基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法。 

背景技术

在基于TCP/IP协议的以太网络中，数据包是传输的数据单元。本发明中所有的数据传输单元一般都称作数据包。由于以太网的搭建方法简单、实施成本低，所以成为普遍应用的网络类型。而以太类网络在面对高速网络传输时存在以下问题： 

(1)路由器存储空间相对不足。 

(2)网络带宽容量不足。 

(3)路由器处理能力相对较弱。 

本发明主要关注路由器存储空间相对不足的问题。因为路由器存储空间不足的问题从而导致了网络拥塞现象发生。一般来说，当网络中存在过多的数据包时，网络的性能就会下降，这种现象称为拥塞。在网络发生拥塞时，会导致吞吐量下降，严重时会发生“拥塞崩溃”现象。 

为了解决这种拥塞现象所带来的吞吐量急剧下降、丢包率过高等网络性能下降的问题，现在网络路由器中普遍采用“弃尾方法”。当路由器因缓冲区不能及时处理接收的数据包时，会对暂时未能处理的数据包进行排队。按照弃尾方法将队列长度相关的参数进行预先设定，并将队列长度的参数与预定的阈值进行比较，若大于阈值，则开始丢弃大于阈值之后的数据包。“弃尾”的意思即从队列尾部开始丢弃。 

但是弃尾方法存在导致某个数据流进入死锁状态，让路由器缓存长期处于满队列状态，引起TCP流全局同步等问题。因此，为了要防止全局同步的出现，有学者提出预见式地丢弃数据包，即主动队列管理方法。在意见征询(Requestfor Comment(RFC))2309提出了随机早期检测(RED)的方法，该方法后来被业内认为是主动队列管理方法中的经典方法，并被广泛使用。RFC2309提出的RED方法是：路由器通过检测路由器缓存中队列的平均长度来探测拥塞。一旦路由器发现即将拥塞，就随机选择源端，并通知源端当前网络发生拥塞，使它们在队列拥塞之前降低发送数据速率，起到缓解网络拥塞的作用，实验证明该方法是有效的，并被广泛应用于高端路由器中。 

RED方法主要由两个部分组成：第一部分计算平均队列长度，该平均队列长度为RED方法所特殊规定的参数，用来描述网络中允许流量拥塞的程度；第 二部分计算数据包丢弃/标记的概率，以决定在当前拥塞程度下路由器对数据包进行丢弃/标记的概率。这两部分中权值W_q和阈值的设置最为关键。 

RED方法也引起了很多学者的兴趣，由于RED方法有不完善的之处，所以针对RED方法的改进方法也有很多。 

中国专利公开号CN1716914，公开日为2006年1月4日，专利申请号为200510081707.0，专利名称为“用于业务混合的公平加权随机早期检测”。描述了一种加权随机早期检测(WRED)方法。该WRED方法对通信系统的缓冲器中的响应TCP和无响应UDP业务提供了公平处理的机制。由于TCP业务针对拥塞的发生作出响应，而UDP业务并不对其作出响应，因此如果不进行控制，UDP将独占缓冲器带宽。该发明通过将拥塞控制方法分别应用于TCP和UDP业务而解决了所述问题。针对UDP业务的丢弃阈值以这样的方式被动态地修改：将UDP业务限制于所述缓冲器的可用带宽的被供给的百分比，而传统的WRED方法被应用于TCP业务。 

中国专利公开号CN1874299，公开日为2006年12月6日，专利申请号为200610012141.0，专利名称为“基于滑模变结构控制的路由主动队列管理方法”。该发明属于路由器队列管理和拥塞控制领域，其特点在于：在设定的激活的会话数、队列长度目标值、链路容量、往返时延范围内的小队列长度情况下，采用比例控制和恒值控制相结合的、滑模参数ω＝2的滑模变结构控制系统来控制分组丢弃概率。该发明具有适应性、鲁棒性比PI控制器强、在实现主动队列管理时可保证较高链路利用率的同时减小端到端延时的特点。 

中国专利公开号CN101175031，公开日为2008年5月7日，专利号申请号为200710034960.X，专利名称为“一种基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法”。该发明公开了一种基于二阶最优模型和自适应计算的路由器主动队列管理方法，包括以下步骤：在路由器上建立一个自适应的比例控制器；测量路由器的分组丢失率；根据路由器分组丢失率计算路由器的加权平均分组丢失率；根据路由器的加权平均分组丢失率计算路由器的分组丢弃概率，根据分组丢弃概率丢弃分组。本发明具有适应性强、鲁棒性高、方法实现简单的优越性能，在实现主动队列管理时可保证较高的链路利用率，同时减小了排队延时。 

中国专利公开号CN101388833，公开日为2009年3月18日，专利号申请号为200810029581.6，专利名称为“基于自适应阈值机制的网络控制方法”。基于自适应阈值机制的网络控制方法(简称ATRED)是一种在路由器上实施的主动队列管理方法。在ATRED中，最大阈值和最小阈值能够根据当前的拥塞状态在线调整，从而使方法的自适应性和鲁棒性增强，与传统的尾丢弃和早期随机检测方法RED相比，ATRED方法能够对队列实施强力有效的控制，使队列振荡减 小、更加平稳，从而改善系统性能，提供更加稳定的网络服务质量。 

但是，目前对于RED方法的阈值设定主要依靠经验，并且设置为静态参数，这并不有利于RED方法应对不同的网络环境实施良好的网络拥塞控制。所以，本发明结合路由器中的当前缓存占有率的实时变化，来自适应调节参数，从而完善了RED方法存在的其参数对网络环境过于敏感的不足，而且也提高了RED方法估计拥塞的速度。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了RED方法的阈值设定主要依靠经验，并且设置为静态参数，这并不有利于RED方法应对不同的网络环境实施良好的网络拥塞控制的问题，提供了一种基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法(BORED)。 

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法，包括如下步骤：相关参数的定义以及初始化；对于计算平均队列的权值w_q动态调整；等待至新的数据包到达准备进行下一步计算；根据当前缓存占有率B_r的实时变化来调整参数和计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包。所述的根据当前缓存占有率B_r的实时变化来调整参数包括如下步骤： 

1.判断42个数据包＜缓存区的大小B_f＜100个数据包是否为真？如果为真，转入当前缓存占有率B_r＜0.6是否成立的判断步骤2，如果不为真，则转入缓存区的大小B_f≥100个数据包是否成立的判断步骤3。 

2.判断当前缓存占有率B_r＜0.6是否为真？如果为真，转入计算最小阈值的另一种解min的步骤4，如果不为真，则转入计算最小阈值的一种解Q_target的步骤5。 

3.判断缓存区的大小B_f≥100个数据包是否为真？如果为真，转入判断当前缓存占有率B_r＜0.6是否为真的步骤6，如果不为真，则转入计算最小阈值的一种解Q_target的步骤5。 

4.计算最小阈值的另一种解min，采用公式： 

min＝[0.6×B_f-(B_f×100)]/3计算得到， 

其中：B_f为缓存区的大小，然后转入判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真的步骤8。 

5.计算最小阈值的一种解Q_target，采用公式： 

Q_target＝{targ etdelay×[C/(8×mean_packet)]}/2计算得到， 

其中：mean_packet为平均数据包的大小，targetdelay为目标延迟时间，C为网络链路容量，然后转入判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真的步骤8。 

6.判断当前缓存占有率B_r＜0.6是否为真？如果不为真，则转入计算最小阈值的一种解Q_target的步骤5；如果为真，转入计算最小阈值的另一种解min的步骤7。 

7.计算最小阈值的另一种解min，采用公式： 

min＝[0.6×B_f-(B_f×B_r)]/3计算得到， 

其中：B_f为缓存区的大小，B_r为当前缓存占有率，然后转入判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真的步骤8。 

8.判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真？如果为真，转入计算平均队列长度的最小阈值min_th的步骤9，如果不为真，则转入计算平均队列长度的最小阈值min_th的步骤10。 

9.计算平均队列长度的最小阈值min_th，平均队列长度的最小阈值min_th等于最小阈值的一种解Q_target，然后转入计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包的步骤。 

10.计算平均队列长度的最小阈值min_th，平均队列长度的最小阈值min_th等于最小阈值的另一种解min，然后转入计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包的步骤。 

技术方案中所述的对于计算平均队列的权值w_q动态调整包括如下步骤： 

1.判断计算平均队列的权值w_q有没有被设置初始值，计算平均队列的权值w_q没有被设置初始值，则转入给计算平均队列的权值w_q赋值的步骤2，当已被设置初始值时，则转入计算平均队列的权值w_q是否为0的判断步骤3。 

2.设置计算平均队列的权值w_q等于0，然后转入计算计算平均队列的权值w_q的值的步骤4。 

3.判断计算平均队列的权值w_q是否为0，计算平均队列的权值w_q为0，则转入计算计算平均队列的权值w_q的值的步骤4。计算平均队列的权值w_q不为0，则转入计算平均队列的权值w_q是否为-1的判断步骤5。 

4.计算平均队列的权值w_q的值，采用公式： 

w_q＝(1.0-exp^(-1.0/C))×(1/B_r)计算得到， 

其中：B_r为当前缓存占有率，C为网络链路容量，exp为以e为底的指数函数，e近似等于2.71828，然后转入等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算的步骤。 

5.判断计算平均队列的权值w_q是否为-1，计算平均队列的权值w_q为-1，则转入计算计算平均队列的权值w_q的值的步骤6。计算平均队列的权值w_q不为-1，则转入计算平均队列的权值w_q是否为-2的判断步骤7。 

6计算计算平均队列的权值w_q的值，采用公式： 

w_q＝1.0-exp^{(-1.0/(10×rtt×C))}计算得到， 

其中：rtt为往返时间，C为网络链路容量，exp为以e为底的指数函数，e近似等于2.71828，然后转入等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算的步骤。 

7.判断计算平均队列的权值w_q是否为-2，计算平均队列的权值w_q为-2，则转入计算计算平均队列的权值w_q的值的步骤8。计算平均队列的权值w_q不为-2，则转入等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算的步骤。 

8.计算计算平均队列的权值w_q的值，采用公式： 

w_q＝(1.0-exp^(-10.0/C))×(1/B_r)计算得到， 

其中：C为网络链路容量，exp为以e为底的指数函数，e近似等于2.71828，B_r为当前缓存占有率。 

技术方案中所述的计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包包括如下步骤： 

1.判断平均队列长度Q_avg是否满足平均队列长度的最小阈值min_th≤平均队列长度Q_avg≤平均队列长度的最大阈值max_th的条件，满足则转入计算临时丢弃概率P_b的步骤2，不满足则转入是否满足平均队列长度的最大阈值max_th＜平均队列长度Q_avg≤缓存区的大小B_f条件的判断步骤3。 

2.计算临时丢弃概率P_b，采用公式： 

$P_b=P_{\max }\frac{Q_{\mathrm{avg}}-{\min }_{\mathrm{th}}}{{\max }_{\mathrm{th}}-{\min }_{\mathrm{th}}}$ 计算得到， 

其中：P_max为最大丢弃概率，min_th为平均队列长度的最小阈值，max_th为平均队列长度的最大阈值，Q_avg为平均队列长度， 

然后转入计算连续成功传输的数据包数count的步骤6。 

3.判断平均队列长度Q_avg是否满足平均队列长度的最大阈值max_th＜平均队列长度Q_avg≤缓存区的大小B_f的条件，满足则转入计算临时丢弃概率P_b的步骤4，不满足则转入计算临时丢弃概率P_b的步骤5。 

4.计算临时丢弃概率P_b，临时丢弃概率P_b等于1，然后转入计算连续成功传输的数据包数count的步骤6。 

5.计算临时丢弃概率P_b，临时丢弃概率P_b等于0，然后转入计算连续成功传输的数据包数count的步骤6。 

6.计算连续成功传输的数据包数count，每一个新的数据包到来时就在连续成功传输的数据包数count的值上加1，然后转入计算丢弃概率P的步骤7。 

7.计算丢弃概率P，采用公式： 

P＝P_b/(1-count×P_b)计算得到， 

其中：P_b为临时丢弃概率，count为连续成功传输的数据包数， 

然后将数据包按照丢弃概率P来丢弃达到拥塞控制。 

与现有技术相比本发明的有益效果是： 

1.随机早期检测(RED)方法并没有与路由器的缓存管理相结合，本发明所述的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法(BORED)，将随机早期检测(RED)方法与缓存管理方法相结合。 

2.RED方法的关键参数配置为静态参数，本发明所述的BORED方法将其改善为参数可以依据网络情况而自适应调整。 

3.对比RED方法，本发明所述的BORED方法，在没有影响实际到达数据包的情况下，降低了丢包率，节约了网络资源，改善了网络通信质量。 

参阅图5，为了检验本发明所述的BORED方法的性能，把本发明所述的BORED方法加载到NS-2仿真平台上。仿真使用2.33版本的NS-2平台，操作系统为Red Hat 9.0。图中所表示的为在NS-2仿真平台上搭建的模拟网络拥塞的网络环境，其中S_n表示实验中采取n个业务源，包括n-m个FTP业务源和m个CBR业务源来模拟实际应用中网络通信的情况，所有业务源与路由器R₁之间的链路容量为10Mbps，延迟时间为0ms到8ms之间；瓶颈链路位于路由器R₁与路由器R₂之间，链路容量为4.5Mbps，延迟时间为2ms；所有发送的数据均送往目的端D₁，与路由器R₂之间的链路容量为10Mbps，延迟时间为2ms。 

使用以下一系列的实验来说明本发明所述的BORED方法在不减少到达数据包个数的情况下，对于降低丢包率具有明显的改善。实验的前提为：预设实验的方法为两种，观察两种方法在同样网络环境条件下的性能参数。路由器与目的端的链路带宽为10M；最大丢弃概率P_max＝0.02；平均数据包的大小mean_packet设置为1000个字节。 

实验组1 

RED方法与本发明所述的BORED方法的过渡性能比较 

参数设置：RED方法的参数设置计算平均队列的权值w_q＝0.002；min_th＝13；max_th＝39；路由器的缓存大小设置为80个数据包。由于本发明所述的BORED方法可以依据网络环境的改变而自动配置并调节参数，所以本发明所述的BORED方法不需要初始设置w_q，max_th和min_th。仿真实验持续时间为10秒。实验组1里包含2个实验，构成1组对比实验。 

由实验组例1可以得到图6与图7，分别是RED方法与本发明所述的BORED方法的瞬时队列长度和平均队列长度的变化曲线，可以发现本发明所述的BORED方法的平均队列曲线更加平滑，而且没有RED方法在仿真实验刚刚启动时的上冲过程。而且在接下来的仿真时间里本发明所述的BORED方法的平均队列长度更为平滑，几乎没有强烈的抖动。其相关的丢包率、到达数据包个数和平均延迟时间的数据在表1中。可以看到，两种方法到达目的端的数据包是一致的， 并且本发明所述的BORED方法的丢包率最低，尽管牺牲了一定的平均延迟时间。 

表1丢包率、到达数据包个数与平均延迟时间 

方法	丢包率(％)	到达数据包个数(包)	平均延迟(s)
				RED	0.81	5398	0.0652
BORED	0.65	5398	0.0743

实验组2 

RED方法与本发明所述的BORED方法在不同网络环境中加入突发流条件下的性能比较 

参数设置：RED方法的参数设置w_q＝0.002；由于本发明所述的BORED方法可以依据网络环境的改变而自动配置并调节参数，所以本发明所述的BORED方法不需要初始设置w_q，max_th和min_th。实验组2里包含10个实验，构成5组对比实验。 

环境设置：设置网络通信链接为4个，突发流6个，突发流中，FTP业务流4个，CBR业务流2个。 

实验(a)突发流发送时间从6.1秒至6.6秒之间依次开始至10秒停止。 

实验(b)突发流发送时间从40.1至40.6秒之间依次开始至70秒停止。 

实验(c)突发流发送时间为每10秒一个循环，每个循环中的第6.1秒至10秒之间发送突发流，第90秒至100秒之间不设突发流。 

实验(d)突发流发送时间为每10秒一个循环，第一个循环中的第6.1秒至10秒之间发送突发流；从第二个循环开始，每个循环中的第3.1秒至4.3秒之间、第6.1秒至10秒之间发送突发流，第95秒至100秒之间不设突发流。 

实验(e)突发流为2次，第一次发送时间为从6.1秒至6.6秒之间依次开始至10秒停止；第二次为18.1秒至18.6秒依次开始至23秒结束。 

表2实验参数配置 

表3丢包率、到达包的个数与平均延迟时间 

[0089] 

	方法	丢包率(％)	到达数据包个数(包)	平均延迟(s)
					实验(a)	RED	1.97	13548	0.0659
	BORED	1.44	13547	0.0745

实验(b)	RED	2.60	54343	0.0680
						BORED	1.91	54354	0.0764
实验(c)	RED	3.62	54422	0.0831

	BORED	3.20	54425	0.0972
					实验(d)	RED	4.17	54517	0.0833
	BORED	3.50	54521	0.0967
					实验(e)	RED	1.13	13593	0.1136
	BORED	0.583	13593	0.1318

其中，实验(a)可以得到图8与图9，分别是RED方法与本发明所述的BORED方法在实验(a)环境下的瞬时队列长度和平均队列长度的变化曲线。可以发现，本发明所述的BORED方法的瞬时队列长度抖动次数少于RED方法，而且，其平均队列曲线更为平滑。实验(b)至实验(e)中RED方法与BORED方法所表现的瞬时队列长度和平均队列长度的曲线变化趋势与实验(a)中是一致的，故不再重复。 

实验组2的相关的丢包率、到达数据包个数和平均延迟时间的数据在表3中。由表3可以看出，实验组2由实验(a)至实验(e)的实验，表现了BORED方法在不同网络环境中，不同的突发流的网络环境中，都表现出了良好的特性。可以看出BORED方法改善了RED方法参数过于敏感的不足，具有自适应调节参数的功能，并起到了降低丢包率，节约网络资源的效果。 

上述两组实验分别检验了本发明所述的BORED方法的性能，实验组1主要检验了RED方法与本发明所述的BORED方法在10秒仿真时间内，该方法的过渡性能，验证了本发明所述的BORED方法的启动时间略快于RED方法，其平均队列没有上冲过程，且更平滑；实验组2主要验证了RED方法与本发明所述的BORED方法在不同网络环境中加入突发流条件下的性能比较。可以看到，本发明所述的BORED方法控制得到的丢包率明显降低，但延迟时间略长于RED方法。实验数据表明，不论在相对较短时间(25s)还是相对较长时间(100s)的仿真实验中，本发明所述的BORED方法在没有减少数据包到达数量的同时，降低了网络丢包率，很好的避免了网络拥塞，节约了网络资源，其表现的综合性能要优于RED方法。其中，实验组2中的实验(e)主要验证了当缓存大于100个数据包的情况。 

通过上述两组实验可以得出本发明所述的BORED方法在网络突发的环境下，在不同网络环境以及不同仿真条件下均取得了降低丢包率，提高网络通信质量的良好的性能。 

本发明所述的BORED方法达到了本发明的设计目标，该方法的参数根据网络环境自适应调整参数设置，而不是像其他方法由静态参数配置调节方法控制 网络拥塞，并取得了良好的效果，可以证明本发明所述的BORED方法具有自适应、动态调整的能力，且其性能优良。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明： 

图1为本发明所述的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法(BORED)的功能流程示意框图； 

图2为本发明所述的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法中的对于参数w_q动态调整步骤的分解功能流程示意框图； 

图3为本发明所述的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法中的根据B_r的实时变化来调整参数步骤的分解功能流程示意框图； 

图4为本发明所述的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法中的计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包步骤的分解功能流程示意框图； 

图5为本发明所述的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法在NS-2网络仿真平台下的网络拓扑图； 

图6为随机早期检测(RED)方法的实验组1的瞬时队列与平均队列曲线图； 

图7为本发明所述的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法(BORED)的实验组1的瞬时队列与平均队列曲线图。 

图8为随机早期检测(RED)方法的实验组2中实验(a)的瞬时队列与平均队列曲线图； 

图9为本发明所述的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法(BORED)的实验组2中实验(a)的瞬时队列与平均队列曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述： 

尽管和“弃尾方法”相比，RED是一种更为有效的拥塞控制机制，但其仍然存在下面一些不足。 

1.RED方法的参数对网络变化过于敏感。根据RED方法的发起者Sally Floyd的指导意见可以得知，RED方法性能的好坏由该方法预先设置的参数w_q、min_th和max_th决定的。其参数的微小变化都会给RED的总体性能带来很大的影响。如果一组RED参数和当前网络环境匹配，那么RED也会获得很好的控制效果。但由于现实网络中所发生的事件是随机的、动态变化的，当网络中数据流的数量及网络负载的改变而导致网络环境的变化时，那么该组RED参数也会给拥塞管理带来不好的效果。 

2.RED方法不能快速、有效的估计拥塞的严重性。 

3.由于权值w_q很小，因此平均队长的变化很小，容易产生全局同步现象。 

4.RED方法目前还未考虑关于发送数据流的公平性问题。 

为了解决上述问题，产生了很多RED的改进方法。这些方法减弱了RED方法参数的敏感性，增强了RED方法的健壮性，但其参数调整的效果并不十分理想，仍需有待加强。 

本专利主要解决第1个问题，附带解决第2个问题。 

本发明提供了一种能够依据网络环境自适应调整计算平均队列的权值w_q、平均队列长度的最小阈值min_th以及平均队列长度的最大阈值max_th的基于RED方法的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法(BORED)。该方法依次含有如下步骤： 

1.相关参数的定义 

1)w_q为计算平均队列的权值； 

2)Q_avg为平均队列长度； 

3)min_th为平均队列长度的最小阈值； 

4)max_th为平均队列长度的最大阈值； 

5)P_b为临时丢弃概率； 

6)P_max为最大丢弃概率； 

7)P为丢弃概率； 

8)count为连续成功传输的数据包数，初始值为-1； 

9)B_f为(路由器对应RED方法所分配的)缓存区的大小； 

10)B_r为(路由器B_f的)当前缓存占有率(或使用率)； 

11)C为网络链路容量； 

12)rtt为往返时间； 

13)Q_target为最小阈值的一种解； 

14)min为最小阈值的另一种解； 

15)mean_packet为平均数据包的大小； 

16)targetdelay为目标延迟时间； 

17)q为(瞬时队列长度也称)当前队列长度。 

2.在路由器加载(装入以计算机程序所体现的)本发明所述的BORED方法，设置最大丢弃概率P_max，缓存区的大小B_f，目标延迟时间targetdelay和平均数据包的大小mean_packet的初始值。 

鉴于路由器位于拥塞的发生点，因此在路由器处进行拥塞控制是非常有效且有意义的。当然，前提条件是不影响到路由器的复杂度和效率。所以，由路由器来解决端到端的拥塞采用如下方式： 

1)向各源端发送拥塞信号 

当发生或者即将发生拥塞时，路由器可以给网络中(发送数据包)的源端发送拥塞信号，如丢弃数据包、在数据包中标记、给源端发送显示拥塞标记等。 

2)进行缓存管理 

路由器一方面分配缓存的一定空间，用于平时接收数据包和处理突发时接收的大量数据包；另一方面，路由器需要确定何时发送拥塞信号，如果确定了，还要进一步确定哪个数据包需要丢弃/标记。这两个问题都是由路由器的缓存管理算法来确定。一个好的缓存管理为端到端的拥塞控制的实现提供一个好的配合机制。 

3)进行队列调度 

当多个连接共享一个路由器时，先发送哪个数据包，这就需要由路由器来调度决定。 

因为，路由器的缓存管理机制可以更好的辅助解决拥塞控制问题，并且，路由器当前缓存占有率B_r也能直观地反映当前网络的负载变化。当B_r较小时，反映当前网络负载较轻，没有形成网络拥塞；当B_r较大时，反映当前网络负载较重，容易产生网络拥塞或已经产生网络拥塞。所以本专利的以下步骤将路由器的缓存管理机制与本发明所述的BORED方法的参数设置相结合起来，对RED方法进行了完善，改进了RED方法对于参数的敏感性。 

3.对于计算平均队列的权值w_q的动态调整 

参阅图2，因为计算平均队列的权值w_q是一个非常重要的参数，对于网络拥塞控制的效果有很大影响。所以本发明所述的BORED方法将计算平均队列的权值w_q的计算方法做了进一步完善工作。本发明所述的BORED方法将计算平均队列的权值w_q的设置完善为可自适应调整的参数，根据不同情况，调整当前计算平均队列的权值w_q的计算公式。 

由于RED方法主要由两个部分组成：第一部分计算平均队列长度Q_avg；第二部分计算数据包丢弃/标记的概率。第一部分的平均队列长度Q_avg的计算与计算平均队列的权值w_q有关，其计算式为： 

Q_avg＝(1-w_q)×Q_avg+w_q×q    (1) 

其中：q为(瞬时队列长度也称)当前队列长度， 

可以看出在计算平均队列长度Q_avg的公式(1)中，计算平均队列的权值w_q相当于低通滤波器的时间常数，它决定了路由器对输入流量变化的反映程度，因此对计算平均队列的权值w_q的大小选择非常重要。如果计算平均队列的权值w_q过大，RED方法将不能有效地过滤短暂的拥塞；如果计算平均队列的权值w_q太小，平均队列长度Q_avg会对实际队列长度的变化反映过慢，不能合理地反映拥塞状况，在这种情况下，路由器将不能有效检测到早期拥塞。 

根据RED方法的工作原理推导及实验检验，如果当前缓存占有率B_r较低的时候，计算平均队列的权值w_q被增大，算法让平均队列长度Q_avg更敏感于瞬时队列的变化，期望更多的数据包进入到缓存中，提高缓存的利用率。如果当前 缓存占有率B_r偏高，计算平均队列的权值w_q被增大，算法让平均队列长度Q_avg不太敏感于瞬时队列的变化，期望让较少的数据包进入到缓存中，降低缓存的利用率，使路由器更高效的工作。得出结论，计算平均队列的权值w_q与当前缓存占有率B_r之间成反比关系有利于本发明所述的BORED方法获得更好的网络控制效果。对于计算平均队列的权值w_q的调整包括如下步骤： 

1)判断计算平均队列的权值w_q有没有被设置初始值？部分有经验的网络工程师，会依据经验来设置计算平均队列的权值w_q的值。如果计算平均队列的权值w_q没有被设置，则转入给计算平均队列的权值w_q赋值的步骤2)将计算平均队列的权值w_q赋值，当已被设置初始值时，则转入“计算平均队列的权值w_q是否为0”的判断步骤3)； 

2)赋值计算平均队列的权值w_q等于0，即w_q＝0，然后转入计算计算平均队列的权值w_q的值的步骤4)； 

3)判断计算平均队列的权值w_q是否为0。如果计算平均队列的权值w_q为0，则转入计算计算平均队列的权值w_q的值的步骤4)，计算平均队列的权值w_q不为0，则转入“计算平均队列的权值w_q是否为-1”的判断步骤5)； 

4)计算计算平均队列的权值w_q的值，当计算平均队列的权值w_q的数值没有被设置时，需要按照当前的网络情况对w_q进行设置。为了依据网络环境的实时变化来调整方法的参数，本发明所述的BORED方法将计算平均队列的权值w_q的计算式进一步完善，已有的RED方法的计算平均队列的权值w_q的计算式为w_q＝(1.0-exp^(-1.0/C))，其中：w_q为计算平均队列的权值，C为网络链路容量。所以当计算平均队列的权值w_q的数值为0时，本发明所述的BORED方法采用计算式： 

w_q＝(1.0-exp^(-1.0/C))×(1/B_r)计算得到， 

其中：B_r为当前缓存占有率，C为网络链路容量，exp为以e为底的指数函数(e近似等于2.71828)，然后转入等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算的步骤； 

5)当网络往返时间rtt的值大于100ms时，即网络路由器之间的距离相对较远时，可以将计算平均队列的权值w_q的值设置为-1。此步骤判断计算平均队列的权值w_q是否为-1。若计算平均队列的权值w_q为-1，则转入计算计算平均队列的权值w_q值的步骤6)，计算平均队列的权值w_q不为-1，则转入“计算平均队列的权值w_q是否为-2”的判断步骤7)； 

6)计算计算平均队列的权值w_q的值，采用公式： 

w_q＝1.0-exp^{(-1.0/(10×rtt×C))}计算得到， 

其中：rtt为往返时间，C为网络链路容量，exp为以e为底的指数函数(e近似等于2.1828)，然后转入等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算的步骤； 

7)判断计算平均队列的权值w_q是否为-2。若计算平均队列的权值w_q为-2，则转入计算计算平均队列的权值w_q的值的步骤8)，计算平均队列的权值w_q不为-2，则转入等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算的步骤； 

8)计算计算平均队列的权值w_q的值，采用公式： 

w_q＝(1.0-exp^(-10.0/C))×(1/B_r)计算得到， 

其中：B_r为当前缓存占有率，C为网络链路容量，exp为以e为底的指数函数(e近似等于2.71828)； 

为了依据网络环境的实时变化来调整方法的参数，本发明所述的BORED方法将计算平均队列的权值w_q的计算式进一步完善，已有RED方法的计算平均队列的权值w_q的计算式为w_q＝(1.0-exp^(-10.0/C))。所以当计算平均队列的权值w_q的数值为-2时，本发明所述的BORED方法使用计算式w_q＝(1.0-exp^(-10.0/C))×(1/B_r)进行计算，之后转入等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算的步骤。 

4.按照已经设置的参数，进行初始化并等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算。 

5.根据(路由器B_f的)当前缓存占有率B_r的实时变化来调整参数 

参阅图3，设置平均队列长度的最小阈值min_th和平均队列长度的最大阈值max_th是本发明所述的BORED方法得到更好的控制效果的关键点。本发明所述的BORED方法主要是实时调整平均队列长度的最小阈值min_th参数，同时设置平均队列长度的最大阈值max_th为平均队列长度的最小阈值min_th的3倍，使平均队列长度的最大阈值max_th与平均队列长度的最小阈值min_th联动变化。本发明通过路由器的当前缓存占有率B_r来反映网络负载的变化，将平均队列长度的最小阈值min_th和平均队列长度的最大阈值max_th的设置与路由器的(路由器B_f的)当前缓存占有率B_r建立联系，使本发明所述的BORED方法依据网络负载的变化而自适应的调整平均队列长度的最小阈值min_th和平均队列长度的最大阈值max_th的设置。从而达到改善RED方法依据经验值设定，使用静态参数不能与网络负载变化相符的不足。首先，定义Q_c为当前路由器中队列长度，B_r为(路由器B_f的)当前缓存占有率，B_f为(路由器的)缓存区的大小，B_r＝Q_c/B_f。平均队列长度的最小阈值的计算公式如下： 

平均队列长度的最小阈值min_th＝max(最小阈值的一种解Q_target；最小阈值的另一种解mi n) 

即min_th＝max(Q_target；min)    (2) 

min_th取Q_target和min中的最大值。 

$\min =\left\{\begin{array}{cc}\frac{(0.6\&times;B_f-(B_r\&times;100))}{3}& (B_r<\mathrm{0.6,42}<B_f<100)\\ \frac{(0.6\&times;B_f-(B_r\&times;B_f))}{3}& (B_r<\mathrm{0.6,42}<B_f<100)\end{array}\right.---\left(3\right)$

本专利对于公式(3)只取正整数解。算法中设置平均队列长度的最大阈值max_th3倍于平均队列长度的最小阈值min_th。根据大量的实验发现，当前缓存占有率B_r大多数工作在小于60％的情况下，所以设置缓存区的大小B_f条件值为0.6。同时，也发现将缓存区的大小Bf的参数值设为0.6，可以很好地平衡丢包率和高的延迟时间。当当前缓存占有率B_r大于0.6时，平均队列长度的最小阈值min_th被设置为最小阈值的一种解Q_target的值。当平均队列长度的最小阈值min_th低于最小阈值的一种解Q_target时，即被赋为最小阈值的一种解Q_target的值。 

Q_target＝{targ etdelay×[C/(8×mean_packet)]}/2    (4) 

其中：Q_target是公式(4)的计算结果，targetdelay为目标延迟时间在仿真实验初始化的时候被设置，mean_packet为平均数据包的大小，C为网络链路容量。 

根据(路由器B_f的)当前缓存占有率B_r的实时变化来调整参数的步骤如下： 

1)判断缓存区的大小B_f是否大于42个数据包并小于100个数据包，即42个数据包＜缓存区的大小B_f＜100个数据包是否为真？如果为真，转入当前缓存占有率B_r＜0.6是否成立的判断步骤2)，如果不为真，则转入缓存区的大小B_f≥100个数据包是否成立的判断步骤3)； 

2)判断当前缓存占有率B_r＜0.6是否为真？如果为真，转入计算最小阈值的另一种解min的步骤4)，如果不为真，则转入计算最小阈值的一种解Q_target的步骤5)； 

3)判断缓存区的大小B_f≥100个数据包是否为真？如果为真，转入判断当前缓存占有率B_r＜0.6是否为真的步骤6)，如果不为真，则转入计算最小阈值的一种解Q_target的步骤5)； 

4)计算最小阈值的另一种解min，采用公式： 

min＝[0.6×B_f-(B_f×100)]/3计算得到， 

其中：B_f为缓存区的大小，然后转入判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真的步骤8)； 

5)计算最小阈值的一种解Q_target，采用公式： 

Q_target＝{targ etdelay×[C/(8×mean_packet)]}/2计算得到， 

其中：mean_packet为平均数据包的大小，targetdelay为目标延迟时间，C为网络链路容量，然后转入判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真的步骤8)； 

6)判断当前缓存占有率B_r＜0.6是否为真？如果不为真，则转入计算最小阈值的一种解Q_target的步骤5)；如果为真，转入计算最小阈值的另一种解min的步骤7)； 

7)计算最小阈值的另一种解min，采用公式： 

min＝[0.6×B_f-(B_f×B_r)]/3计算得到， 

其中：B_f为缓存区的大小，B_r为当前缓存占有率，然后转入判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真的步骤8)； 

8)判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真？如果为真，转入计算平均队列长度的最小阈值min_th的步骤9)，如果不为真，则转入计算平均队列长度的最小阈值min_th的步骤10)； 

9)计算平均队列长度的最小阈值min_th，平均队列长度的最小阈值min_th等于最小阈值的一种解Q_target，即min_th＝Q_target，然后转入计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包的步骤； 

10)计算平均队列长度的最小阈值min_th，平均队列长度的最小阈值min_th等于最小阈值的另一种解min，即min_th＝min，然后转入计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包的步骤。 

6.计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包 

参阅图4，为了反映拥塞状况本发明所述的BORED方法需要按照公式： 

Q_avg＝(1-w_q)×Q_avg+w_q×q    (1) 

先计算平均队列长度Q_avg，根据拥塞的程度来计算丢弃概率P，从而有效地控制平均队列长度Q_avg。RED方法有两个和平均队列长度相关的阈值：平均队列长度的最小阈值min_th和平均队列长度的最大阈值max_th。当有数据包到达路由器时，RED方法计算出平均队列长度Q_avg。若平均队列长度Q_avg小于平均队列长度的最小阈值min_th则没有数据包需要丢弃；当平均队列长度的最小阈值min_th≤平均队列长度Q_avg≤平均队列长度的最大阈值max_th时，即min_th≤Q_avg≤max_th时，计算出丢弃概率P，并以此丢弃概率P丢弃数据包；当平均队列长度的最大阈值max_th＜平均队列长Q_avg≤缓存区的大小B_f时，即max_th＜Q_avg≤B_f时，所有的数据包都被丢弃。由于该方法使用的是基于时间的平均队列长度Q_avg，就有可能会发生实际队列长度大于平均队列长度的情况，如果队列已满，则随后到达的数据包只能被丢弃。计算丢弃概率P的方法如下： 

$P_b=\left\{\begin{array}{cc}0& (0\&le;Q_{\mathrm{avg}}\&le;{\min }_{\mathrm{th}})\\ P_{\max }\frac{Q_{\mathrm{avg}}-{\min }_{\mathrm{th}}}{{\max }_{\mathrm{th}}-{\min }_{\mathrm{th}}}& ({\min }_{\mathrm{th}}\&le;Q_{\mathrm{avg}}\&le;{\max }_{\mathrm{th}})\\ 1& ({\max }_{\mathrm{th}}\&le;Q_{\mathrm{avg}}\&le;B_f)\end{array}\right.---\left(5\right)$

P＝P_b/(1-count×P_b)    (6) 

公式中，P_b是临时丢弃概率，P_max为最大丢弃概率，B_f是缓冲区的大小，P是丢弃概率。丢弃概率P不仅和平均队列长度Q_avg有关，而且还和从上一次丢包开始到现在连续成功传输进入队列的数据包的数量count有关。随着连续成功传输进入队列的数据包数count的增加，下一个数据包被丢弃的可能性也在缓慢增加。这主要是为了能在到来的数据包之间均匀间隔地丢包，从而避免对突 发流的偏见和产生全局同步现象。 

计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包包括如下步骤： 

1)判断平均队列长度Q_avg是否满足大于等于平均队列长度的最小阈值min_th并小于等于平均队列长度的最大阈值max_th，即是否满足min_th≤Q_avg≤max_th的条件，如果满足则转入计算临时丢弃概率P_b的步骤2)，如果不满足则转入判断平均队列长度Q_avg是否满足大于平均队列长度的最大阈并小于等于缓冲区的大小B_f条件，即转入是否满足max_th＜Q_avg≤B_f的判断步骤3)； 

2)计算临时丢弃概率P_b，采用公式： 

$P_b=P_{\max }\frac{Q_{\mathrm{avg}}-{\min }_{\mathrm{th}}}{{\max }_{\mathrm{th}}-{\min }_{\mathrm{th}}}$ 计算得到， 

其中：P_max为最大丢弃概率，min_th为平均队列长度的最小阈值，max_th为平均队列长度的最大阈值，Q_avg为平均队列长度，然后转入计算连续成功传输的数据包数count的步骤6)； 

3)判断平均队列长度Q_avg是否满足大于平均队列长度的最大阈值max_th并小于等于缓冲区的大小B_f的条件，即是否满足max_th＜Q_avg≤B_f，如果满足则转入计算临时丢弃概率P_b的步骤4)，如果不满足则转入计算临时丢弃概率P_b的步骤5)； 

4)计算临时丢弃概率P_b，临时丢弃概率P_b等于1，然后转入计算连续成功传输的数据包数count的步骤6)； 

5)计算临时丢弃概率P_b，临时丢弃概率P_b等于0，然后转入计算连续成功传输的数据包数count的步骤6)； 

6)计算连续成功传输的数据包数count，每一个新的数据包到来时就在连续成功传输的数据包数count的值上加1，然后转入计算丢弃概率P的步骤7)； 

7)计算丢弃概率P，采用公式： 

P＝P_b/(1-count×P_b)计算得到， 

其中：P_b为临时丢弃概率，count为连续成功传输的数据包数，然后将数据包按照丢弃概率P来丢弃，最终达到拥塞控制的目的。 

Claims (3)

1.一种基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法，包括如下步骤：相关参数的定义以及初始化；对于计算平均队列的权值w_q动态调整；等待至新的数据包到达准备进行下一步计算和计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包，其特征在于：基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法还包括根据当前缓存占有率B_r的实时变化来调整参数的步骤；所述的根据当前缓存占有率B_r的实时变化来调整参数包括如下步骤：

1)判断42个数据包＜缓存区的大小B_f＜100个数据包是否为真？如果为真，转入当前缓存占有率B_r＜0.6是否成立的判断步骤2)，如果不为真，则转入缓存区的大小B_f≥100个数据包是否成立的判断步骤3)；

2)判断当前缓存占有率B_r＜0.6是否为真？如果为真，转入计算最小阈值的另一种解min的步骤4)，如果不为真，则转入计算最小阈值的一种解Q_target的步骤5)；

3)判断缓存区的大小B_f≥100个数据包是否为真？如果为真，转入判断当前缓存占有率B_r＜0.6是否为真的步骤6)，如果不为真，则转入计算最小阈值的一种解Q_target的步骤5)；

4)计算最小阈值的另一种解min，采用公式：

min＝[0.6×B_f-(B_f×100)]/3计算得到，

其中：B_f为缓存区的大小，

然后转入判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真的步骤8)；

5)计算最小阈值的一种解Q_target，采用公式：

Q_target＝{targ etdelay×[C/(8×mean_packet)]}/2计算得到，

其中：mean_packet为平均数据包的大小，targetdelay为目标延迟时间，C为网络链路容量，

然后转入判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真的步骤8)；

6)判断当前缓存占有率B_r＜0.6是否为真？如果不为真，则转入计算最小阈值的一种解Q_target的步骤5)；如果为真，转入计算最小阈值的另一种解min的步骤7)；

7)计算最小阈值的另一种解min，采用公式：

min＝[0.6×B_f-(B_f×B_r)]/3计算得到，

其中：B_f为缓存区的大小，B_r为当前缓存占有率，然后转入判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真的步骤8)；

8)判断最小阈值的另一种解min＜最小阈值的一种解Q_target是否为真？如果为真，转入计算平均队列长度的最小阈值min_th的步骤9)，如果不为真，则转入计算平均队列长度的最小阈值min_th的步骤10)；

9)计算平均队列长度的最小阈值min_th，平均队列长度的最小阈值min_th等于最小阈值的一种解Q_target，然后转入计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包的步骤；

10)计算平均队列长度的最小阈值min_th，平均队列长度的最小阈值min_th等于最小阈值的另一种解min，然后转入计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包的步骤。

2.按照权利要求1所述的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法，其特征在于：所述的对于计算平均队列的权值w_q动态调整包括如下步骤：

1)判断计算平均队列的权值w_q有没有被设置初始值，计算平均队列的权值w_q没有被设置初始值，则转入给计算平均队列的权值w_q赋值的步骤2)，当已被设置初始值时，则转入计算平均队列的权值w_q是否为0的判断步骤3)；

2)设置计算平均队列的权值w_q等于0，然后转入计算计算平均队列的权值w_q的值的步骤4)；

3)判断计算平均队列的权值w_q是否为0，计算平均队列的权值w_q为0，则转入计算平均队列的权值w_q的值的步骤4)；计算平均队列的权值w_q不为0，则转入计算平均队列的权值w_q是否为-1的判断步骤5)；

4)计算计算平均队列的权值w_q的值，采用公式：

w_q＝(1.0-exp^(-1.0/C))×(1/B_r)计算得到，

其中：B_r为当前缓存占有率，C为网络链路容量，exp为以e为底的指数函数，e近似等于2.71828，

然后转入等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算的步骤；

5)判断计算平均队列的权值w_q是否为-1，计算平均队列的权值w_q为-1，则转入计算计算平均队列的权值w_q的值的步骤6)；计算平均队列的权值w_q不为-1，则转入计算平均队列的权值w_q是否为-2的判断步骤7)；

6)计算计算平均队列的权值w_q的值，采用公式：

w_q＝1.0-exp^{(-1.0/(10×rtt×C))}计算得到，

其中：rtt为往返时间，C为网络链路容量，exp为以e为底的指数函数，e近似等于2.71828，

然后转入等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算的步骤；

7)判断计算平均队列的权值w_q是否为-2，计算平均队列的权值w_q为-2，则转入计算计算平均队列的权值w_q的值的步骤8)；计算平均队列的权值w_q不为-2，则转入等待至新的数据包到达，准备进行下一步计算的步骤；

8)计算计算平均队列的权值w_q的值，采用公式：

w_q＝(1.0-exp^(-10.0/C))×(1/B_r)计算得到，

其中：C为网络链路容量，exp为以e为底的指数函数，e近似等于2.71828，B_r为当前缓存占有率。

3.按照权利要求1所述的基于实时路由器缓存占有率的主动队列管理方法，其特征在于：所述的计算丢弃概率P并以丢弃概率P丢弃数据包包括如下步骤：

1)判断平均队列长度Q_avg是否满足平均队列长度的最小阈值min_th≤平均队列长度Q_avg≤平均队列长度的最大阈值max_th的条件，满足则转入计算临时丢弃概率P_b的步骤2)，不满足则转入是否满足平均队列长度的最大阈值max_th＜平均队列长度Q_avg≤缓存区的大小B_f条件的判断步骤3)；

2)计算临时丢弃概率Pb，采用公式：

$P_b=P_{\max }\frac{Q_{\mathrm{avg}}-{\min }_{\mathrm{th}}}{{\max }_{\mathrm{th}}-{\min }_{\mathrm{th}}}$ 计算得到，

其中：P_max为最大丢弃概率，min_th为平均队列长度的最小阈值，max_th为平均队列长度的最大阈值，Q_avg为平均队列长度，

然后转入计算连续成功传输的数据包数count的步骤6)；

3)判断平均队列长度Q_avg是否满足平均队列长度的最大阈值max_th＜平均队列长度Q_avg≤缓存区的大小B_f的条件，满足则转入计算临时丢弃概率P_b的步骤4)，不满足则转入计算临时丢弃概率P_b的步骤5)；

4)计算临时丢弃概率P_b，临时丢弃概率P_b等于1，然后转入计算连续成功传输的数据包数count的步骤6)；

5)计算临时丢弃概率P_b，临时丢弃概率P_b等于0，然后转入计算连续成功传输的数据包数count的步骤6)；

6)计算连续成功传输的数据包数count，每一个新的数据包到来时就在连续成功传输的数据包数count的值上加1，然后转入计算丢弃概率P的步骤7)；

7)计算丢弃概率P，采用公式：

P＝P_b/(1-count×P_b)计算得到，

其中：P_b为临时丢弃概率，count为连续成功传输的数据包数，然后将数据包按照丢弃概率P来丢弃达到拥塞控制。

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