TCPIP协议网络拥塞控制若干问题的研究 ppt课件
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➢ Kunniyur在Kelly源端速率模型的基础上提出AVQ算 法。
➢ Low等基于优化理论提出了TCP/AQM对偶性模型。
第一章 绪论
❖ 基于控制理论的拥塞控制算法
从控制理论角度，拥塞控制算法分为开环控制和闭环控制两大类。 ➢ Misra等[63]提出了TCP/AQM微分方程模型。
图1.8 TCP拥塞控制与AQM算法组成的反馈控制模型
40
t/s
图2.11 激活的TCP连接数变化时的仿真曲线
第二章 基于IMC-Smith的AQM策略
本章小结
本章从控制理论的角度描述了带AQM的网络拥塞 闭环控制系统结构，给出了IP网络系统受控对象的一种 传递函数模型。并提出了一种结合内模控制器和Smith 预估补偿控制器的IMC-Smith控制算法，通过仿真实验 表明，该策略能有效克服网络时延的影响，对网络模型 参数的变化具有较好的鲁棒性。
❖ 拥塞控制的基本思想
➢ 采取某种控制措施减少或避免网络中出现拥塞现象。
图1.1 网络负载与吞吐量及响应时间的关系
第一章 绪论
❖ 基于源端的TCP拥塞控制机制
基于窗口的闭环控制方式 “和式增加积式减少（AIMD）”
慢 启 动
拥 塞 避 免
快
快
速
速
重
恢
传
复
第一章 绪论
❖ 基于路由器的IP拥塞控制机制
通过路由器等中间节点设备采用队列算法实现
队列调度算法
队列管理算法
FIFO算法
AQM策略 RED算法
第一章 绪论
❖ 基于优化理论的拥塞控制算法
在这类算法中TCP的连接是一种互动的行为， AQM控制器可以看作一个梯度优化问题，算法的目标 是最大化网络利用率。
➢ Kelly等学者基于优化理论[49]提出了一个分散拥塞控 制框架，从而建立了TCP速率控制的模型。
控制理论与导航 技术研究所
TCP/IP网络拥塞控制若干问题的 研究
答辩人： 导 师： 井元伟 教授
绪论 主要工作
结论与展望
第一章 绪论 ❖ 网络拥塞的基本概念
拥塞是一种持续过载的网络状态。此时用户对网络资源的需 求超过了其固有的容量。
❖ 网络拥塞产生的原因
➢ 存储空间不足 ➢ 带宽容量不足 ➢ 处理器速度慢、能力弱
q0
+
+
_
_
GC(s)
G0(s) ~ G0(s)
eRs
q(t)
+
es _
1 Tf s1
图3.4 改进的Smith 预估补偿控制原理图
第三章 AQM中的模糊-Smith算法
❖ 模糊控制器的设计
GC (s)
由二维模糊控制器实现
e (t)
de(t) / dt
队列长度的误差及误差的变化率作 为模糊控制器的输入
p(t)
K peR S (T 1s1 )T (2s1 )
q(t)
图2.5 基于TCP流体模型的网络拥塞反馈控制结构图
第二章 基于IMC-Smith的AQM策略
Smith预估控制系统转换成如下图的等价结构：
r(t) GC(s)
+_
y(t) G0(s)eRs
Gm(s)
+
Gm(s)eRs _
图2.7 IMC-Smith控制系统结构框图
第三章 AQM中的模糊-Smith算法
设计目标：基于模糊Smith设计一个AQM控制器来稳定路由 器
中的队列长度使其在目标队列附近
图 3.1 模糊-Smith系统结构
第三章 AQM中的模糊-Smith算法
在原对象模型与Smith预估器模型的比较器之后串上一个低通滤波器， 可以大大减少模型失配的敏感，增加Smith预估控制系统鲁棒性。
按照内模控制算法设计控制器
得到Smith预估控制系统的内模控制结构
G c ( s ) K P K s I K D s K f( T 1 T 2 )1 ( ( T 1 1 T 2 ) s ( T 1 T 1 T T 2 2 )s )( T fs 1 1 ) (2.24)
第二章 基于IMC-Smith的AQM策略
❖ 仿真研究
160
140
120
100
y(t)
80
60
40
20
0
-20 0
5
10
15
20
25
30
35
40
t/s
图2.8 模型匹配时IMC-Smith控制
算法仿真曲线
500
IMC-Smith
400
Smith
300
200
y(t)
100
0
-100
-200 0
5
10
15
20
25
30
35
40
t/s
图2.10 模型失配时仿真曲线
E
队列长度的误差分为五个模糊子集，
为{负小、负大、零、正小、正大}
ECwenku.baidu.com
误差的变化率也分为五个模糊子集，
为{负小、负大、零、正小、正大}
p (t)
丢弃概率作为模糊控制器的输出
第三章 AQM中的模糊-Smith算法
E EC Pd NB NS Z PS PB
NB
N
N
N
N
N
NS
N
N
N
N
L
Z
N
N
N
L
F
PS
NN
第二章 基于IMC-Smith的AQM策略
❖ 网络控制系统建模
图2.2 哑铃型拓扑结构的分组交换网络
TCP流量窗口控制机制动态模型：
dW(t) dt
1 W(t)W(tR(t))p(tR(t)) R(t) 2R(tR(t))
dq(t) N(t)W(t)C(t)
d(t) R(t)
q0 e(t)
_
C ontroller
y(t) y(t)
300 Smith IMC-Smith
250
200
150
100
50
0
-50 0
5
10
15
20
25
30
35
40
t/s
图2.9 滞后时间变化时仿真曲线
400 350 300 250 200 150 100
50 0
-50 -100
0
IMC-Smith Smith
5
10
15
20
25
30
35
L
F
H
PB
N
L
L
F
H
表3.3 模糊控制器的控制规则表
➢ 拥塞控制系统的稳定性分析是控制理论的难点课题。
第一章 绪 论
本文的主要工作
第二章 基于IMC-Smith算法的AQM策略 第三章 AQM中的模糊-Smith算法 第四章 基于自适应灰色预测的VRC虚速率算法 第五章 基于显式速率反馈的拥塞控制算法 第六章 基于价格策略的拥塞控制机制
第七章 网络拥塞控制算法的稳定性分析
➢ 文献[64]运用经典控制理论证明了采用RED控制的的系统中 稳定时控制器参数所要满足的条件 ➢ Hollot等[65]研究了在AQM中采用经典的PI控制器的设计方法。 ➢ 文献[67]则直接运用状态反馈控制理论，给出了状态反馈控 制器的设计。
第一章 绪论
❖ 现有算法存在的问题
➢ 已有的AQM设计大多是依赖于确定的网络模型， 没有考虑到参数的时变性以及模型的不确定性的 影响。
➢ Low等基于优化理论提出了TCP/AQM对偶性模型。
第一章 绪论
❖ 基于控制理论的拥塞控制算法
从控制理论角度，拥塞控制算法分为开环控制和闭环控制两大类。 ➢ Misra等[63]提出了TCP/AQM微分方程模型。
图1.8 TCP拥塞控制与AQM算法组成的反馈控制模型
40
t/s
图2.11 激活的TCP连接数变化时的仿真曲线
第二章 基于IMC-Smith的AQM策略
本章小结
本章从控制理论的角度描述了带AQM的网络拥塞 闭环控制系统结构，给出了IP网络系统受控对象的一种 传递函数模型。并提出了一种结合内模控制器和Smith 预估补偿控制器的IMC-Smith控制算法，通过仿真实验 表明，该策略能有效克服网络时延的影响，对网络模型 参数的变化具有较好的鲁棒性。
❖ 拥塞控制的基本思想
➢ 采取某种控制措施减少或避免网络中出现拥塞现象。
图1.1 网络负载与吞吐量及响应时间的关系
第一章 绪论
❖ 基于源端的TCP拥塞控制机制
基于窗口的闭环控制方式 “和式增加积式减少（AIMD）”
慢 启 动
拥 塞 避 免
快
快
速
速
重
恢
传
复
第一章 绪论
❖ 基于路由器的IP拥塞控制机制
通过路由器等中间节点设备采用队列算法实现
队列调度算法
队列管理算法
FIFO算法
AQM策略 RED算法
第一章 绪论
❖ 基于优化理论的拥塞控制算法
在这类算法中TCP的连接是一种互动的行为， AQM控制器可以看作一个梯度优化问题，算法的目标 是最大化网络利用率。
➢ Kelly等学者基于优化理论[49]提出了一个分散拥塞控 制框架，从而建立了TCP速率控制的模型。
控制理论与导航 技术研究所
TCP/IP网络拥塞控制若干问题的 研究
答辩人： 导 师： 井元伟 教授
绪论 主要工作
结论与展望
第一章 绪论 ❖ 网络拥塞的基本概念
拥塞是一种持续过载的网络状态。此时用户对网络资源的需 求超过了其固有的容量。
❖ 网络拥塞产生的原因
➢ 存储空间不足 ➢ 带宽容量不足 ➢ 处理器速度慢、能力弱
q0
+
+
_
_
GC(s)
G0(s) ~ G0(s)
eRs
q(t)
+
es _
1 Tf s1
图3.4 改进的Smith 预估补偿控制原理图
第三章 AQM中的模糊-Smith算法
❖ 模糊控制器的设计
GC (s)
由二维模糊控制器实现
e (t)
de(t) / dt
队列长度的误差及误差的变化率作 为模糊控制器的输入
p(t)
K peR S (T 1s1 )T (2s1 )
q(t)
图2.5 基于TCP流体模型的网络拥塞反馈控制结构图
第二章 基于IMC-Smith的AQM策略
Smith预估控制系统转换成如下图的等价结构：
r(t) GC(s)
+_
y(t) G0(s)eRs
Gm(s)
+
Gm(s)eRs _
图2.7 IMC-Smith控制系统结构框图
第三章 AQM中的模糊-Smith算法
设计目标：基于模糊Smith设计一个AQM控制器来稳定路由 器
中的队列长度使其在目标队列附近
图 3.1 模糊-Smith系统结构
第三章 AQM中的模糊-Smith算法
在原对象模型与Smith预估器模型的比较器之后串上一个低通滤波器， 可以大大减少模型失配的敏感，增加Smith预估控制系统鲁棒性。
按照内模控制算法设计控制器
得到Smith预估控制系统的内模控制结构
G c ( s ) K P K s I K D s K f( T 1 T 2 )1 ( ( T 1 1 T 2 ) s ( T 1 T 1 T T 2 2 )s )( T fs 1 1 ) (2.24)
第二章 基于IMC-Smith的AQM策略
❖ 仿真研究
160
140
120
100
y(t)
80
60
40
20
0
-20 0
5
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t/s
图2.8 模型匹配时IMC-Smith控制
算法仿真曲线
500
IMC-Smith
400
Smith
300
200
y(t)
100
0
-100
-200 0
5
10
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20
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40
t/s
图2.10 模型失配时仿真曲线
E
队列长度的误差分为五个模糊子集，
为{负小、负大、零、正小、正大}
ECwenku.baidu.com
误差的变化率也分为五个模糊子集，
为{负小、负大、零、正小、正大}
p (t)
丢弃概率作为模糊控制器的输出
第三章 AQM中的模糊-Smith算法
E EC Pd NB NS Z PS PB
NB
N
N
N
N
N
NS
N
N
N
N
L
Z
N
N
N
L
F
PS
NN
第二章 基于IMC-Smith的AQM策略
❖ 网络控制系统建模
图2.2 哑铃型拓扑结构的分组交换网络
TCP流量窗口控制机制动态模型：
dW(t) dt
1 W(t)W(tR(t))p(tR(t)) R(t) 2R(tR(t))
dq(t) N(t)W(t)C(t)
d(t) R(t)
q0 e(t)
_
C ontroller
y(t) y(t)
300 Smith IMC-Smith
250
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t/s
图2.9 滞后时间变化时仿真曲线
400 350 300 250 200 150 100
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IMC-Smith Smith
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PB
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表3.3 模糊控制器的控制规则表
➢ 拥塞控制系统的稳定性分析是控制理论的难点课题。
第一章 绪 论
本文的主要工作
第二章 基于IMC-Smith算法的AQM策略 第三章 AQM中的模糊-Smith算法 第四章 基于自适应灰色预测的VRC虚速率算法 第五章 基于显式速率反馈的拥塞控制算法 第六章 基于价格策略的拥塞控制机制
第七章 网络拥塞控制算法的稳定性分析
➢ 文献[64]运用经典控制理论证明了采用RED控制的的系统中 稳定时控制器参数所要满足的条件 ➢ Hollot等[65]研究了在AQM中采用经典的PI控制器的设计方法。 ➢ 文献[67]则直接运用状态反馈控制理论，给出了状态反馈控 制器的设计。
第一章 绪论
❖ 现有算法存在的问题
➢ 已有的AQM设计大多是依赖于确定的网络模型， 没有考虑到参数的时变性以及模型的不确定性的 影响。