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基于控制理论的网络拥塞控制中的若干算法研究

杨歆豪  
【摘要】: 由于网络资源和网络流量分布的不均衡,拥塞的发生是Internet网络的固有属性。随着网络规模的快速增长和各种应用的不断产生,网络拥塞问题日益加剧,成为了影响网络性能的主要因素,所以对网络拥塞控制算法的研究也成为了网络研究领域的热点问题。 拥塞控制算法可以分为源算法和链路算法两类。源算法,如TCP协议等,在主机及网络边缘设备中执行,根据网络设备的反馈信息调整数据发送的速率;链路算法,如主动队列管理算法,在网络设备中执行,作用是检测拥塞的发生,并将拥塞信息反馈给用户。动态的网络环境以及网络延时的不确定性,给网络的建模以及设计拥塞控制算法带来了很多困难。此外,有线/无线网络、无线多跳网络等一些新的网络结构的涌现,给Internet网络带来了很多新的特性,使得传统的拥塞控制机制暴露了很多局限性。针对这些问题,本文通过控制理论来提高网络拥塞控制算法的稳定性和鲁棒性,并设计能够适应新的网络类型的网络拥塞控制算法。本文的主要研究成果与创新点如下: 1、针对动态网络环境,设计了一类具有H∞性能指标的主动队列管理算法。在忽略网络系统高频性能的前提下,设计了一种H∞PI控制器,通过线性矩阵不等式方法给出了一种简单的H_∞PI控制参数的整定方法。考虑H∞PI控制器在建模过程中的不足,通过线性时滞系统的风控制方法,设计了一种主动队列管理的输出反馈控制器。证明了这种输出反馈控制器具有较好的稳定性和鲁棒性,同时给出了基于线性矩阵不等式方法的参数求解方法。仿真结果表明这类具有H∞性能指标的主动队列管理算法具有良好的控制性能且在变化的网络环境下具有较强的鲁棒性。 2、针对通讯过程中时延的不确定性,给出了一类基于变时滞的主动队列管理算法。考虑TCP协议中的超时重传机制,在小信号线性化的基础上,设计了一个基于观测器的时滞相关H∞状态反馈控制器。针对小信号线性化存在局部稳定性的问题,根据RTT与队列长度的线性关系,建立了非线性的网络模型。基于反步设计法给出了系统的状态反馈控制律,同时给出了控制律系数的取值范围。设计了基于TCP窗口值的观测器,证明了当丢包率的取值范围在0到1之间时,TCP窗口观测值收敛到实际值。ns仿真表明这类基于变时滞的主动队列管理算法维持了较好的网络性能。 3、针对传统TCP协议在有线/无线网络中的局限性,基于模糊控制理论,设计了一种模糊速率选择拥塞控制算法。通过对路由器中队列长度和数据速率的测量,能够结合AIAD策略和AIMD策略的特点,我们提出的模糊速率选择拥塞控制算法能够有效地区分无线比特错误导致的丢包和拥塞导致的丢包。仿真结果表明算法在有线/无线网络环境下具有很好的控制性能,能够保证动态网络环境下拥塞控制的有效性。 4、针对TCP协议在队列延时等方面控制性能不佳的局限性,设计了一种基于卡尔曼滤波器的TCP窗口控制器。首先设计了一种基于比例控制原理的TCP窗口控制器,由于这种基于比例控制的控制器是非因果的,通过对网络中队列长度和往返时间的测量,利用卡尔曼滤波器理论对这种非因果的控制器进行逼近。ns仿真表明,这种TCP窗口控制算法能够较好的预测TCP窗口值,并且在动态网络环境下依然具有较高的链路吞吐量和较低的队列延时。 5、针对无线多跳网络的“多跳”特性,根据分布式动态系统理论和有向图的基本理论设计了无线多跳网络的基于速率的拥塞控制算法。首先给出了基于无线Ad hoc网络的最小速率算法,可以保证所有正在通讯的节点收敛到最小的可用带宽;其次设计了一个无线传感器网络中的基于领导者的拥塞控制算法,把汇聚节点作为这个网络系统的领导者,由其来决定每个TCP连接的可用带宽;最后综合Ad hoc网络的最小速率算法和无线传感器网络的基于领导者的拥塞控制算法给出了一个基于无线Mesh网络的拥塞控制算法。


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