CN102624614B - 一种高速网络的稳定拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速网络的稳定拥塞控制方法，通过设置高速网络的拥塞窗口变化机制和拥塞窗口的动态变化规则以及队列长度变化规则、使用遗传算法获得高速网络拥塞窗口大小的优化值并设计拥塞控制器、在提高链路利用率、网络吞吐量和减小腿抖动条件下的进行相关参数设置等步骤，实现了高速网络运行过程中保障业务QoS所需的效率性、公平性、友好性、稳定性。

Description

一种高速网络的稳定拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及无线传输和进化理论。

背景技术

随着高速网络的出现，网络拥塞问题也日益严重，传统TCP拥塞控制算法中的AIMD(Additive Increase Multiplicative Delete)机制使得拥塞窗口增加太慢而又减少太慢，不仅会最终导致队列溢出，还会使往返时间较长的数据流收到不公平的待遇，从而降低了网络利用率。随着对拥塞控制算法研究地不断深入，高带宽时延乘积网络的拥塞控制研究已经引起了越来越多国内外学者的关注。

高速网络拥塞现象指的是在分组交换网络中，当需要传送的分组数目太多时，由于存储转发节点的资源有限而导致网络传输性能下降的情况。当网络中发生拥塞时，会出现数据丢失，时延增大，网络吞吐量下降，严重时会导致“拥塞崩溃"现象。拥塞崩溃主要包括以下几种情况：传统的崩溃、未传送数据包导致的崩溃、由于数据包分段造成的崩溃、日益增长的控制信息流造成的崩溃等。一般来说，网络拥塞发生在网络负载增加导致网络效率降低的时候。网络产生拥塞的根本原因在于用户提供给网络的负载大于网络的资源容量和处理能力(overload)，其典型表现就是数据包时延增加，丢包概率增大，上层应用系统性能显著下降等。因此网络拥塞是一种持续的网络超负荷状态。

为了更高效率地利用网络带宽，提高吞吐量，现有的高速网络拥塞控制机制如图1所示。近年来国内外学者一直都在研究适合于高速网络的TCP拥塞控制算法，已经研究出来的成果包括HSTCP、STCP、FAST、TCP、BIC TCP、CUBIC TCP等。

评价拥塞控制的方法是否有效，需要一定的评价指标。拥塞控制算法的性能评价标准需要分别从用户和网络的角度来分析。用户希望数据包能尽快的发送出去，用户之间能公平的竞争网络资源，获取相同的带宽，在用户之间保持公平性；而对于网络而言，希望能及时的检测到拥塞，网络资源的利用率尽可能的达到100％。现有高速网络拥塞控制的问题主要集中在效率性、公平性、友好性、稳定性，为解决上述问题，需设计高效稳定的高速网络拥塞控制机制。

因此，有必要设计一种针对高速网络特点设计一种拥塞控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决高速网络的稳定拥塞控制问题。

本发明为解决上述技术问题提供一种高速网络的稳定拥塞控制方法，其特征在于：

A、在慢启动阶段和拥塞避免阶段对拥塞窗口进行设置，并调节拥塞窗口和队列长度；

B、使用遗传算法获得高速网络拥塞窗口大小的优化值并设计拥塞控制器；

C、在提高链路利用率和减小抖动条件下的进行参数C_z0，C_z1和D_zu设置，然后在提高网络吞吐量和减小抖动条件下的进行参数C_z0，C_z1和D_zu的设置；

D、在提高链路利用率和网络吞吐量条件下的参数C_z0，C_z1和D_zu的设置。

所述步骤A中，在慢启动阶段和拥塞避免阶段对拥塞窗口进行设置。在慢启动阶段设置拥塞窗口变化规则在拥塞避免阶段设置拥塞窗口变化规则为cwnd＝cwnd-b·cwnd，其中b＝-0.16log₂(cwnd)+0.72。

所述步骤A中，动态调节拥塞窗口和队列长度。拥塞窗口的动态调节规则为 $\stackrel{\·}{W}\left(t\right)=\frac{a\left(t\right)}{R\left(t\right)}-b\left(t\right)W\left(t\right)\frac{W(t-R\left(t\right))}{R(t-R\left(t\right))}p(t-R\left(t\right)),$ 队列长度的动态调节规则为其中W(t)为高速网络拥塞窗口大小的优化值，为RTT时间，q(t)为队列长度，ω_q(t)为UDP业务流在传输过程中收到的噪声干扰，a(t)为拥塞窗口的增大系数，b(t)为拥塞窗口的减小系数，C(t)为链路容量，T为传播时延，N(t)为高速网络的接口数目，p(t)为丢包率，总的流程图如图2所示，微观流程图如图3所示。

所述步骤B中，使用遗传算法获得高速网络拥塞窗口大小的最优值。其子步骤为：a.随机生成初始化种群；b.对每个父代染色体进行解码，并对解码后的父代染色体进行评估；c.使用轮询方式获得子代染色体对；d.对获得的子代染色体对进行交叉处理；e.对所有子代染色体进行解码，并进行变异处理；f.对每个子代染色体进行评估；g.形成新一代种群；h.判断是否终止染色体检验，若停止检验，则获得最优解，若继续检验，则返回至子步骤c，如图4所示。

所述步骤B中，进行拥塞控制器设计。令拥塞控制器的状态方程为 $\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=A_{0}x\left(t\right)+A_{1}x(t-R_0)+B_{w}w\left(t\right),$

z(t)＝C_z0x(t)+C_z1x(t-R₀)+D_zuu(t)，y(t)＝C_yx(t-R₀)+D_yww(t)，其中x(t)为状态矢量，u(t)为在丢包率为p(t)下的输入控制信号，w(t)为在进行UDP数据包传输时的外部噪声，z(t)为高速网络系统的参考输入，y(t)通过测量得到的高速网络系统输出值，q₀和p₀为拥塞控制器的平衡点，为使拥塞控制器稳定，需设置相应的参数 $A_0=\left[\begin{array}{cc}-\frac{a_0{N}_0}{R_0^2{C}_0}& -\frac{a_0}{C_0{R}_0^2}\\ \frac{N_0}{R_0}& -\frac{1}{R_0}\end{array}\right],A_1=\left[\begin{array}{cc}-\frac{a_0{N}_0}{R_0^2{C}_0}& \frac{a_0}{C_0{R}_0^2}\\ 0& 0\end{array}\right],$ $B_u=\left[\begin{array}{c}-\frac{b_0{C}_0^2{R}_0}{0}\\ 0\end{array}\right],B_w=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0.3C_0& 0\end{array}\right],$ C_y＝[0 1]，D_yw＝[0 0.06C₀]。控制器的转移函数为 $C\left(s\right)=({\stackrel{\‾}{C}}_0+{\stackrel{\‾}{C}}_1{e}^{s{R}_0}){(\mathrm{sI}-{\stackrel{\‾}{A}}_0-{\stackrel{\‾}{A}}_1{e}^{-s})}^{-1}\stackrel{\‾}{B}+\stackrel{\‾}{D}.$

所述步骤C中，在提高链路利用率和减小抖动条件下进行参数C_z0、C_z1和D_zu设置。C_z0为被测量的队列长度q和参考队列长度q₀之间的差值，C_z1为抖动减小参数，D_zu为数据接收端的丢包权重系数，有 $C_{z0}=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ \frac{N_0}{R_0}& -\frac{1}{R_0}\\ 0& 0\end{array}\right],C_{z1}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right],$ $D_{\mathrm{zu}}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0.5\end{array}\right].$

所述步骤C中，在提高高速网络吞吐量和减小抖动条件下的参数C_z0、C_z1和D_zu的设置。使用规则 $C_{z0}=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ \frac{N_0}{R_0}& -\frac{1}{R_0}\\ 0& 0\end{array}\right],C_{z1}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right],D_{\mathrm{zu}}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0.5\end{array}\right]$ 进行设置。

所述步骤D中，在提高高速网络链路利用率和网络吞吐量条件下的参数C_z0、C_z1和D_zu的设置。使用规则 $C_{z0}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\end{array}\right],C_{z1}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right],D_{\mathrm{zu}}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0.5\end{array}\right]$ 进行设置。

本发明的有益效果为：提供一种高速网络的稳定拥塞控制方法，通过在慢启动阶段和拥塞避免阶段对拥塞窗口进行设置，并调节拥塞窗口和队列长度、使用遗传算法获得高速网络拥塞窗口大小的优化值并设计拥塞控制器、在提高链路利用率、网络吞吐量和减小抖动条件下的进行相关参数设置等步骤，实现了高速网络运行过程中保障业务QoS所需的效率性、公平性、友好性、稳定性。

附图说明

图1为现有高速网络拥塞控制机制模型；

图2为总的流程示意图；

图3为微观流程示意图；

图4为使用遗传算法获得高速网络拥塞窗口大小最优值流程示意图；

具体实施方式

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

1.设置高速网络的拥塞窗口变化机制。在慢启动阶段的拥塞窗口变化机制为在拥塞避免阶段拥塞窗口变化机制为cwnd＝cwnd-b·cwnd，萁中b＝-0.16log₂(cwnd)+0.72。

2.设置拥塞窗口的动态变化规则和队列长度变化规则。拥塞窗口的动态变化规则为 $\stackrel{\·}{W}\left(t\right)=\frac{a\left(t\right)}{R\left(t\right)}-b\left(t\right)W\left(t\right)\frac{W(t-R\left(t\right))}{R(t-R\left(t\right))}p(t-R\left(t\right)),$ 队列长度变化规则为其中W(t)为高速网络拥塞窗口大小的优化值，为RTT时间，q(t)为队列长度，ω_q(t)为UDP业物流在传输过程中收到的噪声干扰，a(t)为拥塞窗口的增大系数，b(t)为拥塞窗口的减小系数，C(t)为链路容量，T为传播时延，N(t)为高速网络的接口数目，p(t)为丢包率。

3.使用遗传算法获得高速网络拥塞窗口大小的优化值。其子步骤为：a.随机生成初始化种群；b.对每个父代染色体进行解码，并对解码后的父代染色体进行评估；c.使用轮询方式获得子代染色体对；d.对获得的子代染色体对进行交叉处理；e.对所有子代染色体进行解码，并进行变异处理；f.对每个子代染色体进行评估；g.形成新一代种群；h.判断是否终止染色体检验，若停止检验，则获得最优解，若继续检验，则返回至子步骤c。

4.进行拥塞控制器设计。令拥塞控制器的状态方程为 $\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=A_{0}x\left(t\right)+A_{1}x(t-R_0)+B_{w}w\left(t\right),$ z(t)＝C_z0x(t)+C_z1x(t-R₀)+D_zuu(t)，y(t)＝C_yx(t-R₀)+D_yww(t)，其中x(t)为状态矢量，u(t)为在丢包率为p(t)下的输入控制信号，w(t)为在进行UDP数据包传输时的外部噪声，z(t)为系统的参考输入，y(t)通过测量得到的输出值，q₀和p₀为系统的平衡点，为使拥塞控制器稳定，需设置相应的参数 $A_0=\left[\begin{array}{cc}-\frac{a_0{N}_0}{R_0^2{C}_0}& -\frac{a_0}{C_0{R}_0^2}\\ \frac{N_0}{R_0}& -\frac{1}{R_0}\end{array}\right],$ $A_1=\left[\begin{array}{cc}-\frac{a_0{N}_0}{R_0^2{C}_0}& \frac{a_0}{C_0{R}_0^2}\\ 0& 0\end{array}\right],B_u=\left[\begin{array}{c}-\frac{b_0{C}_0^2{R}_0}{N_0^2}\\ 0\end{array}\right],B_w=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0.3C_0& 0\end{array}\right],$ C_y＝[0 1]，D_yw＝[0 0.06C₀]。控制器的转移函数为 $C\left(s\right)=({\stackrel{\‾}{C}}_0+{\stackrel{\‾}{C}}_1{e}^{s{R}_0}){(\mathrm{sI}-{\stackrel{\‾}{A}}_0-{\stackrel{\‾}{A}}_1{e}^{-s{r}_0})}^{-1}\stackrel{\‾}{B}+\stackrel{\‾}{D}.$

5.在提高链路利用率和减小抖动条件下的进行参数C_z0，C_z1和D_zu设置。C_z0为被测量的队列长度q和参考队列长度q₀之间的差值，C_z1为抖动减小参数，D_zu在数据接收端的丢包权重系数，有 $C_{z0}=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ \frac{N_0}{R_0}& -\frac{1}{R_0}\\ 0& 0\end{array}\right],C_{z1}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right],D_{\mathrm{zu}}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0.5\end{array}\right].$

6.在提高网络吞吐量和减小抖动条件下的参数C_z0，C_z1和D_zu的设置。使用规则 $C_{z0}=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ \frac{N_0}{R_0}& -\frac{1}{R_0}\\ 0& 0\end{array}\right],C_{z1}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right],D_{\mathrm{zu}}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0.5\end{array}\right].$ 进行设置。

7.在提高链路利用率和网络吞吐量条件下的参数C_z0，C_z1和D_zu的设置。使用规则 $C_{z0}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\end{array}\right],C_{z1}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right],D_{\mathrm{zu}}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0.5\end{array}\right]$ 进行设置。

Claims (5)

1.一种高速网络的稳定拥塞控制方法，包括如下步骤：

A、在慢启动阶段和拥塞避免阶段对拥塞窗口进行设置，并调节拥塞窗口和队列长度，具体为在慢启动阶段和拥塞避免阶段对拥塞窗口进行设置，在慢启动阶段设置拥塞窗口变化规则在拥塞避免阶段设置拥塞窗口变化规则为cwnd＝cwnd-b·cwnd，其中，b＝-0.16log₂(cwnd)+0.72；

B、使用遗传算法获得高速网络拥塞窗口大小的优化值并设计拥塞控制器；

C、在提高链路利用率和减小抖动条件下进行参数C_z0，C_z1和D_zu设置，然后在提高网络吞吐量和减小抖动条件下的进行参数C_z0，C_z1和D_zu的设置，其中C_z0为被测量的队列长度q和参考队列长度q₀之间的差值，C_z1为抖动减小参数，D_zu为数据接收端的丢包权重系数，具体为在提高链路利用率和减小抖动条件下进行参数C_z0、C_z1和D_zu设置，有 $C_{z0}=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ \frac{N_0}{R_0}& -\frac{1}{R_0}\\ 0& 0\end{array}\right],C_{z1}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right],D_{\mathrm{zu}}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0.5\end{array}\right];$

D、在提高链路利用率和网络吞吐量条件下进行参数C_z0，C_z1和D_zu的设置，具体为在提高高速网络链路利用率和网络吞吐量条件下的参数C_z0、C_z1和D_zu的设置，使用规则 $C_{z0}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\end{array}\right],C_{z1}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]D_{\mathrm{zu}}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0.5\end{array}\right]$ 进行设置。

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：动态调节拥塞窗口和队列长度，拥塞窗口的动态调节规则为 $\stackrel{\·}{W}\left(t\right)=\frac{a\left(t\right)}{R\left(t\right)}-b\left(t\right)W\left(t\right)\frac{W(t-R\left(t\right))}{R(t-R\left(t\right))}p(t-R\left(t\right)),$ 队列长度的动态调节规则为其中W(t)为高速网络拥塞窗口大小的优化值，为RTT时间，q(t)为队列长度，ω_q(t)为UDP业务流在传输过程中收到的噪声干扰，a(t)为拥塞窗口的增大系数，b(t)为拥塞窗口的减小系数，C(t)为链路容量，T为传播时延，N(t)为高速网络的接口数目，p(t)为丢包率。

3.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：使用遗传算法获得高速网络拥塞窗口大小的最优值，其子步骤为：a.随机生成初始化种群；b.对每个父代染色体进行解码，并对解码后的父代染色体进行评估；c.使用轮询方式获得子代染色体对；d.对获得的子代染色体对进行交叉处理；e.对所有子代染色体进行解码，并进行变异处理；f.对每个子代染色体进行评估；g.形成新一代种群；h.判断是否终止染色体检验，若停止检验，则获得最优解，若继续检验，则返回至子步骤c。

4.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：进行拥塞控制器设计，令拥塞控制器的状态方程为

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=A_{0}x\left(t\right)+A_{1}x(t-R_0)+B_{w}w\left(t\right),$ z(t)＝C_z0x(t)+C_z1x(t-R₀)+D_zuu(t)，y(t)＝C_yx(t-R₀)+D_yww(t)，其中x(t)为状态矢量，u(t)为在丢包率为p(t)下的输入控制信号，w(t)为在进行UDP数据包传输时的外部噪声，z(t)为高速网络系统的参考输入，y(t)通过测量得到的高速网络系统输出值， q₀和p₀为拥塞控制器的平衡点，为使拥塞控制器稳定，需设置相应的参数 $A_0=\left[\begin{array}{cc}-\frac{a_0{N}_0}{R_0^2{C}_0}& -\frac{a_0}{C_0{R}_0^2}\\ \frac{N_0}{R_0}& -\frac{1}{R_0}\end{array}\right],A_1=\left[\begin{array}{cc}-\frac{a_0{N}_0}{R_0^2{C}_0}& \frac{a_0}{C_0{R}_0^2}\\ 0& 0\end{array}\right],B_u=\left[\begin{array}{c}-\frac{b_0{C}_0^2{R}_0}{N_0^2}\\ 0\end{array}\right],$ $B_w=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ {0.3C}_0& 0\end{array}\right],$ C_y＝[0 1]，D_yw＝[0 0.06C₀]，控制器的转移函数为 $C\left(s\right)=({\stackrel{\‾}{C}}_0+{\stackrel{\‾}{C}}_1{e}^{-s{R}_0}){(\mathrm{sI}-{\stackrel{\‾}{A}}_0-{\stackrel{\‾}{A}}_1{e}^{-s})}^{-1}\stackrel{\‾}{B}+\stackrel{\‾}{D}.$

5.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：在提高高速网络吞吐量和减小抖动条件下的参数C_z0、C_z1和D_zu的设置，使用规则 $C_{z0}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{N_0}{R_0}& -\frac{1}{R_0}\\ 0& 0\end{array}\right],$ $C_{z1}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right],D_{\mathrm{zu}}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0.5\end{array}\right]$ 进行设置。