CN104639458B - 一种应用于实时流传输的主动队列管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于实时流传输的主动队列管理方法，该方法针对现有算法存在的性能对参数设置敏感和在非TCP流环境下缺乏鲁棒性的问题，提出了基于流量整形的主动队列管理算法ITS。ITS算法以带速率调节的排队系统为理论基础，根据预设滞留时延和测量输出带宽动态调整算法参数和更新周期，以提出的轻量级流量整形方法指导分组丢弃，使接收分组数目满足排队系统的条件泊松分布假设。实验结果表明，ITS算法有更优越的时延控制能力和时延稳定性，同时也能保持了较低的分组丢失率和较高的链路利用率。

Description

一种应用于实时流传输的主动队列管理方法

技术领域

本发明涉及一种应用于实时流传输的主动队列管理方法，属于通信网络技术领域。

背景技术

随着4G中引入的相关技术，蜂窝小区的下行峰值速率已升至100Mbps水平。然而，随着业务流量和移动终端数目的指数型增长，整个网络的复杂程度不断上升；与此同时，越来越多的用户倾向于使用笔记本电脑或智能手机的移动终端进行浏览网页、点播视频、游戏互动等，对网络的时延性能和吞吐量性能等提出了更高的要求。网络的异构性带来的网络资源的不均匀性使得拥塞现象尤为严重，成为提升系统性能的瓶颈。目前解决拥塞问题的方法按照部署位置大致可以分为两类：一类是部署在源端的传输控制协议，以TCP协议中的拥塞控制算法为代表；一类是部署在路由器中的主动队列管理AQM方法。Raghuvanshi等人对CoDel算法测试了算法在队列长度、丢包率、带宽利用率方面的性能，发现CoDel算法在鲁棒性上仍可进一步提高。Pan等人提出的PIE算法根据排队论从队列长度和服务速率计算分组的滞留时延，以代替RED算法中的队列长度，将滞留时延与目标时延的差值和当前滞留时延与上一次滞留时延的差值进行加权求和，以调整丢弃概率，同时会根据丢弃概率大小动态调整加权值。然而算法中的基准权值与分组往返时延和参数更新周期有关，算法稳定性对参数设置敏感。

在流量整形方面，Zhou等人针对实时多媒体网络提出一种时延抖动约束的流量整形算法，基于流量本身的特征，监测令牌桶的状态来计算排队时延和排队时延变化，根据时延和时延抖动来动态实时的配置系统参数以平滑流量波动和减少时延抖动。然而通过时延和时延抖动难以保证得到最佳的参数，参数设置的有效性还有待进行进一步验证。AlAdwani等人提出了基于需求方管理的流量整形算法，能够有效地加强流量整形，实现流的平滑，很多作业需要被重新调度或延迟，能够减少时延影响并实现更好的整形效果，但是，存在着较大的延时影响的问题，且调度算法对整形的效果有影响。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于针对现有主动队列管理算法对参数敏感和在非TCP流下缺乏鲁棒性等问题，提出了一种应用于实时流传输的主动队列管理方法，该方法首先利用排队论对带速率调节的排队系统进行研究，得出系统参数与性能之间关系。本发明提出的一种新的输入流量整形方法，通过主动丢弃使排队系统接收流量分布能逼近任意期望分布。提出主动队列管理算法ITS，根据排队系统模型自适应调整参数，引入流量整形使接收流量满足排队系统的泊松分布假设。ITS方法能更有效控制分组时延，减小时延抖动，提高系统吞吐量。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提出了一种应用于实时流传输的主动队列管理方法，该方法扩展了一个带速率调节的排队系统，假定输入分组数目符合泊松分布，并且其强度与当前队列长度有关。该系统假设输出速率为任意整数值，使用时间离散马尔科夫模型和仿真实验对系统进行分析。对输入流量进行整形，使最终进入缓冲区的分组数逼近排队系统的条件泊松分布假设，通过合理的设置系统参数，获得有保障的系统性能。根据排队系统模型自适应调整参数，引入流量整形使接收流量满足排队系统的泊松分布假设提出主动队列管理算法ITS。

方法流程：

步骤1：利用排队论对带速率调节的排队系统进行研究，得出系统参数与性能之间关系，具体步骤为：

i.扩展带速率调节的排队系统，缓冲区输出速率μ值不再局限为1(可为任意整数值)，发送端根据反馈的队列长度调节分组发送强度，并且系统时间被离散化。

ii.用时间离散的一阶马尔科夫链对系统的性能参数进行理论分析。主要分析排队系统在平均队长、队长变化、上溢概率和下溢概率方面的性能。

iii.通过蒙特卡洛法实现了系统参数组对性能参数组的影响，包括：

1)在L/2处对队列长度变化越敏感的速率调节方法的系统性能随着μ/L比值的下降(上升)，系统性能提升(恶化)效果越明显。

2)可以认为μ＝0.5L是一个阈值。当μ<0.5L时，在L/2处越敏感的速率调节方法可以获得越优异的系统性能。

步骤2：对输入流量进行整形，使最终进入缓冲区的分组数逼近排队系统的条件泊松分布假设，通过合理的设置系统参数，获得有保障的系统性能。具体步骤为：

i.提出一种输入流量整形方法：当输入分布强度过大时，进行分组丢弃，使接收流量的分布能够逼近预先设定的期望分布形式；否则，尽量减少丢弃。

输入流量整形方法的具体流程分为两步：在每个时间段开始时，根据期望的分布形式产生本次时间段内所能接收分组数目的上限；在本次时间段内，对接收分组进行计数，丢弃超过上限的那部分分组。

ii.采用前面提到的仿真排队系统对所提出的输入流量整形方法性能进行验证。

步骤3：根据排队系统模型自适应调整参数，引入流量整形使接收流量满足排队系统的泊松分布假设提出主动队列管理算法ITS。具体步骤为：先通过流量整形方法对输入流量进行过滤，使进入缓冲区的流量分布满足条件泊松分布假设。接收上限计算和接收丢弃控制模块实现流量整形功能，周期更新模块和瞬时队长模块为流量整形功能提供必要的参数，带宽测量模块负责测量输出链路带宽，使周期更新模块能够实时地计算合适的L、μ值。

1)接收上限计算

在每一个更新周期开始时，该模块根据周期更新模块提供的最大队列长度、输出速率参数和当前瞬时队长计算期望泊松分布的强度λ，进而根据泊松分布产生随机数得到本次周期内所能接收分组数目的上限。

2)接收丢弃控制

当缓冲区已满时，输入的分组会被无条件丢弃；但当缓冲区未满时，根据流量整形方法，一个更新周期内最多接收到上限数目分组。接收丢弃控制通过对输入分组进行计数实现控制，当计数值不超上限分组时接收输入分组，但超过时并不直接丢弃该输入分组，而是先将其放入缓冲区，再从缓冲区中随机丢弃一个分组。

3)瞬时队长计数

在周期更新发出更新通知后，该模块将当前瞬时队列长度告知接收上限计算模块即可，无需对队列长度进行平均。

4)带宽测量

由于无线信道带宽会由于信道误码或基站调度等产生变化，因此需要对输出链路带宽进行测量，使接收上限计算模块能够实时的调整参数L、μ。带宽测量的基本方法是统计一段时间内输出分组的总大小，再除以这段时间的长度。但当缓冲区出现空闲时，会使得测的输出带宽降低，影响算法的带宽利用率。因此，当检测到缓冲区中分组过少时，就放弃此次测量数据，开始新一轮统计测量。

5)周期更新

周期更新模块负责两个功能：一是在每个更新周期时间片段内开始时通知瞬时队长、接收上限计算和接收丢弃控制这3个模块进行更新；二是根据预设滞留时延和输出带宽计算队列最大长度L和服务速率μ，同时调整下一次的更新周期时间。

有益效果：

1、本发明是通过对输入分组进行主动丢弃，当输入流量强度过大时，使接收流量的分布能够逼近预先设定的分布形式。

2、本发明在排队系统模型和流量整形方法的基础上，提出一种新的主动队列管理算法ITS，方法根据设定的滞留时延阈值和测量的输出链路带宽，自适应地调节目标队列长度、更新周期等参数，获得高效的时延和时延抖动控制能力。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明在TCP流环境下与现有技术在平均滞留时延、时延变异系数性能上的仿真实验对比。

图3是本发明在TFRC流环境下与现有技术在平均滞留时延、时延变异系数性能上的仿真实验对比。

具体实施方式：

以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

实施例一

如图2和图3所示，本发明的仿真实验在NS2中由EURANE提供的UMTS环境下进行，N个服务器位于有线网络中，分别与N个无线终端UE建立数据连接，R1、R2组成有线网络。BS/AP表示基站/无线接入点，无线链路带宽为2Mbps，平均误字节率设置为3.5×10-5。由于N个UE共享无线带宽，无线链路成为带宽瓶颈。因此，实验中将主动队列管理算法部署在BS/AP处，其余网络节点采用Drop-Tail路由器。实验通过设置不同的预设滞留时延D0和连接数量N获得不同程度的时延性能要求和系统负载，D0越小说明时延性能要求越高，N越大说明系统负载越重。用于测试的传输协议包括TCP和TFRC(TCP-Friendly Rate Control)，分组大小均设为400Bytes，仿真时长为300秒，N＝{10,20,40,80,140}，D0＝{40,80,160,240,320}ms

如图1所示，本发明提出的一种应用于实时流传输的主动队列管理方法，该方法包括：利用排队论对带速率调节的排队系统进行分析，得出系统参数与性能之间关系。本发明通过主动丢弃使排队系统接收流量分布能逼近任意期望分布。本发明提出主动队列管理算法ITS，根据排队系统模型自适应调整参数，引入流量整形使接收流量满足排队系统的泊松分布假设。仿真结果表明，与现有方法相比，ITS方法能更有效控制分组时延，减小时延抖动，提高系统吞吐量。主要具体步骤为：

步骤1，对所提出的输入流量整形方法性能进行验证。期望分布P(XEX)选取λ＝5的泊松分布和取值在[3,7]上的均匀分布(即均值为5)。输入流量分布P(XIN)的形式包括泊松分布、pareto分布和高斯分布，每种分布分为均值为5、10的两组参数,其中高斯分布的标准差取一个非常小的值，使得XIN几乎只能取值为μ。

步骤2，使用主动队列管理算法ITS进行仿真实验。

本发明的仿真结果包括如下：

在TCP流实验中，每个服务器与一个UE之间建立一条TCP连接，持续时长为整个仿真时长。图2(a)-(b)分别展示了不同D0和N下的平均滞留时延、时延变异系数。图2(a)中十字点代表了预设滞留时延D0，平均滞留时延对D0进行了归一化，以便将不同D0下的结果放在一起比较。可以看到PIE算法在D0≤80ms时开始出现平均滞留时延大于D0的情况，即无法满足系统对时延性能的要求。而ITS算法能够有效的控制住分组的滞留时延，在系统处于高负载时也能保证平均滞留时延小于D0。图2(b)中可以看到，ITS算法的滞留时延一般要比PIE算法的稳定，并且ITS算法的滞留时延随着系统负载增高变得更加稳定，而PIE算法在D0≤80ms情况下随着系统负载增高滞留时延变化幅度加剧。

TFRC流实验是为了验证算法在非TCP流下的性能，实验中每个服务器与一个UE之间建立一条TFRC连接，持续时长为整个仿真时长。图3(a)-(b)分别展示了不同D0和N下的平均滞留时延、时延变异系数。从图3(a)中可以看出，两种算法在TFRC流环境下的时延控制能力都有所下降，在D0≥160ms时，两种算法性能接近，将平均滞留时延控制在D0～1.2×D0的范围内；在D0≤80ms时，随着系统对时延性能要求的提高，两种算法的性能皆有明显下降，但ITS算法较PIE算法有较明显优势。如图3(b)所示，ITS算法的滞留时延要比PIE算法的稳定，并且稳定性不会随着系统负载的变化而出现明显的变化；而PIE算法的稳定性在D0≤160ms时随着系统负载的上升而下降，在D0≥240ms时则波动较大。

实施例二

如图1所示，本发明提出了一种应用于实时流传输的主动队列管理方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：利用排队论对带速率调节的排队系统进行研究，得出系统参数与性能之间关系，具体步骤为：

i.扩展带速率调节的排队系统，缓冲区输出速率μ值不再局限为1(即：可为任意整数值)，发送端根据反馈的队列长度调节分组发送强度，并且系统时间被离散化。

ii.用时间离散的一阶马尔科夫链对系统的性能参数进行理论分析。主要分析排队系统在平均队长、队长变化、上溢概率和下溢概率方面的性能。

iii.通过蒙特卡洛法实现了系统参数组对性能参数组的影响，包括：

1)在L/2处对队列长度变化越敏感的速率调节方法的系统性能随着μ/L比值的下降(上升)，系统性能提升(恶化)效果越明显。

2)可以认为μ＝0.5L是一个阈值。当μ<0.5L时，在L/2处越敏感的速率调节方法可以获得越优异的系统性能。

步骤2：对输入流量进行整形，使最终进入缓冲区的分组数逼近排队系统的条件泊松分布假设，通过合理的设置系统参数，获得有保障的系统性能。具体步骤为：

i.提出一种输入流量整形方法：当输入分布强度过大时，进行分组丢弃，使接收流量的分布能够逼近预先设定的期望分布形式；否则，尽量减少丢弃。

输入流量整形方法的具体流程分为两步：在每个时间段开始时，根据期望的分布形式产生本次时间段内所能接收分组数目的上限；在本次时间段内，对接收分组进行计数，丢弃超过上限的那部分分组。

ii.采用前面提到的仿真排队系统对所提出的输入流量整形方法性能进行验证。

步骤3：根据排队系统模型自适应调整参数，引入流量整形使接收流量满足排队系统的泊松分布假设提出主动队列管理算法ITS。具体步骤为：先通过流量整形方法对输入流量进行过滤，使进入缓冲区的流量分布满足条件泊松分布假设。接收上限计算和接收丢弃控制模块实现流量整形功能，周期更新模块和瞬时队长模块为流量整形功能提供必要的参数，带宽测量模块负责测量输出链路带宽，使周期更新模块能够实时地计算合适的L、μ值。

1)接收上限计算

在每一个更新周期开始时，该模块根据周期更新模块提供的最大队列长度、输出速率参数和当前瞬时队长计算期望泊松分布的强度λ，进而根据泊松分布产生随机数得到本次周期内所能接收分组数目的上限。

2)接收丢弃控制

当缓冲区已满时，输入的分组会被无条件丢弃；但当缓冲区未满时，根据流量整形方法，一个更新周期内最多接收到上限数目分组。接收丢弃控制通过对输入分组进行计数实现控制，当计数值不超上限分组时接收输入分组，但超过时并不直接丢弃该输入分组，而是先将其放入缓冲区，再从缓冲区中随机丢弃一个分组。

3)瞬时队长计数

在周期更新发出更新通知后，该模块将当前瞬时队列长度告知接收上限计算模块即可，无需对队列长度进行平均。

4)带宽测量

由于无线信道带宽会由于信道误码或基站调度等产生变化，因此需要对输出链路带宽进行测量，使接收上限计算模块能够实时的调整参数L、μ。带宽测量的基本方法是统计一段时间内输出分组的总大小，再除以这段时间的长度。但当缓冲区出现空闲时，会使得测的输出带宽降低，影响算法的带宽利用率。因此，当检测到缓冲区中分组过少时，就放弃此次测量数据，开始新一轮统计测量。

5)周期更新

周期更新模块负责两个功能：一是在每个更新周期时间片段内开始时通知瞬时队长、接收上限计算和接收丢弃控制这3个模块进行更新；二是根据预设滞留时延和输出带宽计算队列最大长度L和服务速率μ，同时调整下一次的更新周期时间。

Claims (3)

1.一种应用于实时流传输的主动队列管理方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

步骤1：利用排队论对带速率调节的排队系统进行研究，得出系统参数与性能之间关系，具体步骤为：

i.扩展带速率调节的排队系统，缓冲区输出速率μ值为任意整数值，发送端根据反馈的队列长度调节分组发送强度，并且系统时间被离散化；

ii.用时间离散的一阶马尔科夫链对系统的性能参数进行理论分析，分析排队系统在平均队长、队长变化、上溢概率和下溢概率方面的性能；

iii.通过蒙特卡洛法实现了系统参数组对性能参数组的影响，包括：

1)在L/2(L为缓冲区的最大长度)处对队列长度变化越敏感的速率调节方法的系统性能随着μ/L比值的下降，系统性能提升效果越明显，随着μ/L比值的上升，系统性能恶化效果越明显；

2)μ＝0.5L是一个阈值，当μ<0.5L时，在L/2处越敏感的速率调节方法获得越优异的系统性能；

步骤2：对输入流量进行整形，使最终进入缓冲区的分组数逼近排队系统的条件泊松分布假设，通过合理的设置系统参数，获得有保障的系统性能；

步骤3：根据排队系统模型，引入流量整形使接收流量满足泊松分布，设计应用于实时流传输的主动队列管理方法，并仿真。

2.根据权利要求1所述的一种应用于实时流传输的主动队列管理方法，其特征在于，所述方法的步骤2具体包括如下步骤：

i.提出一种输入流量整形方法：当输入分布强度过大时，进行分组丢弃，使接收流量的分布能够逼近预先设定的期望分布形式；否则，尽量减少丢弃；

输入流量整形方法的具体流程分为两步：在每个时间段开始时，根据期望的分布形式产生本次时间段内所能接收分组数目的上限；在本次时间段内，对接收分组进行计数，丢弃超过上限的那部分分组；

ii.采用上述的仿真排队系统对所提出的输入流量整形方法性能进行验证。

3.根据权利要求1所述的一种应用于实时流传输的主动队列管理方法，其特征在于，所述方法的具体步骤3包括：先通过流量整形方法对输入流量进行过滤，使进入缓冲区的流量分布满足条件泊松分布假设；接收上限计算和接收丢弃控制模块实现流量整形功能，周期更新模块和瞬时队长模块为流量整形功能提供必要的参数，带宽测量模块负责测量输出链路带宽，使周期更新模块能够实时地计算合适的L、μ值；

1)接收上限计算

在每一个更新周期开始时，接收上限计算模块根据周期更新模块提供的最大队列长度、输出速率参数和当前瞬时队长计算期望泊松分布的强度λ，进而根据泊松分布产生随机数得到本次周期内所能接收分组数目的上限；

2)接收丢弃控制

当缓冲区已满时，输入的分组会被无条件丢弃；当缓冲区未满时，根据流量整形方法，一个更新周期内最多接收到上限数目分组；接收丢弃控制通过对输入分组进行计数实现控制，当计数值不超上限分组时接收输入分组，超过时并不直接丢弃该输入分组，而是先将其放入缓冲区，再从缓冲区中随机丢弃一个分组；

3)瞬时队长计数

在周期更新模块发出更新通知后，瞬时队长记数模块将当前瞬时队列长度告知接收上限计算模块即可，无需对队列长度进行平均；

4)带宽测量

对输出链路带宽进行测量，使接收上限计算模块能够实时的调整参数L、μ；带宽测量的基本方法是统计一段时间内输出分组的总大小，再除以这段时间的长度；当检测到缓冲区中分组过少时，放弃此次测量数据，开始新一轮统计测量；

5)周期更新

周期更新模块负责两个功能：一是在每个更新周期时间片段内开始时通知瞬时队长、接收上限计算和接收丢弃控制这3个模块进行更新；二是根据预设滞留时延和输出带宽计算队列最大长度L和服务速率μ，同时调整下一次的更新周期时间。