周鑫——主动队列管理(AQM)

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随机早期检测(RED)算法
• 随机早期检测(RED)算法是最著名的AQM算法之一，它由 AQM创始研究人员Floyd教授提出，并且是IETF推荐的标 准AQM算法。RED是一种早期丢弃技术，即在网络发生 拥塞的早期就丢弃部分分组数据，改善队列的动态特性， 提高网络的利用率。 • 与弃尾算法相比，RED为队列管理增添了两种新机制：(1) 分组丢弃不是等到队列缓存溢出时发生，而是根据队列长 度利用概率判定机制预先丢弃部分分组来预防可能发生的 拥塞；(2)判定分组丢失概率依据的队列长度是平均队列长 度，而不是即时队列长度，这在一定程度上可以吸收部分 短暂的突发流量。
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随机早期检测(RED)算法
• 平均队列长度： RED队列管理策略根据分组到达或固定的 时间间隔，先采用指数加权滑动平均计算 Avg=(1-Wq) ×Avg+Wq×q 其中， Avg表示平均队列长度，q表示瞬时 队列长度，Wq是一个加权系数，同时也是 一个时间常数
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基于经典控制理论的AQM
• TCP流量控制模型及其线性化
• 其中，W(t)是拥塞窗口尺寸，R(t)表示往返 时间，p(t)表示分组丢弃/标记概率，q(t)表 示队列长度，N(t)表示TCP会话数，C(t)表 示链路容量。
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基于经典控制理论的AQM
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基于经典控制理论的AQM
• 2000 年Vishal Misra等建立了TCP 与队列 变化的非线性微分方程模型 • 2001 年C.V.hollot 采用小信号线性化方法 将该模型线性化，并且导出了线性模型的 传递函数，在此基础上分析了RED 的参数 设置并设计了比例积分(PI)控制器。
主动队列管理
(Active Queue management)
周鑫
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历史背景
• 1986 年10 月，由于拥塞崩溃的发生，美国 Lawrence Berkeley Laboratory 到UC Berkeley 的数据吞吐量从32Kbps 跌落到 40bps。 • 研究者从此认识到了拥塞控制机制对保证 互联网的稳定性具有十分重要的作用。因 此，在网络拥塞控制领域内开展了大量的 研究工作，使拥塞控制成为计算机网络研 究领域的热点问题。
随机早期检测(RED)算法
• 丢弃/标记概率：
采用平均队列长度Avg 作为拥塞测度，并设 定两个控制阈值minth 和maxth，maxp 是预先 设置的分组丢弃概率，Pb 为当前分组丢弃 概率的计算值
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随机早期检测(RED)算法
• 若Avg小于minth ，则没有包需要丢弃；当 minth <Avg < maxth时，计算出概率Pb ，并以 此概率丢包；当Avg > maxth时，所有的包都 被丢弃 。
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参考文献
• Long Le, Jay Aikat, Kevin Jeffay, and F. Donelson Smith. The Effects of Active Queue Management and Explicit Congestion Notification on Web Performance. IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING, VOL. 15, NO. 6, DECEMBER 2007. 刘明,窦文华,张鹤颖. 主动队列管理研究综述.计算机工程, 2006 年12 月,第32 卷第24 期. 邵立松. 互联网端到端拥塞控制算法研究. 万方数据库博士学位论文,2006年. 袁萍. 基于主动队列管理的网络拥塞控制若干问题研究. 万方数据库硕士学位 论文,2008年. 张璐. 网络拥塞控制中主动队列管理算法的研究. 万方数据库硕士学位论 文,2008年.
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其他AQM机制
• 最近，许多学者试图利用其它理论和方法 来解决主动队列管理研究中的一些问题， 主要包括： ①基于最优化理论和经济学的方法 ②基于仿生的方法 ③基于博奕论的方法等 但上述算法仅仅作为一种新方法被提出来 没有成为研究的主流。
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主动队列管理
• AQM 机制的主要思想： 网络节点在缓冲区没有溢出之前，根据网 络的拥塞状况，以一定的概率丢弃报文或 者通知拥塞，端节点调整速率缓解拥塞 • AQM 机制的主要性能指标，包括链路利用 率、报文丢弃率以及平均队列长度等
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显示拥塞指示（ECN）
• AQM反馈控制模型： 将TCP动态模型线性 化并忽略小延时，得：
可得AQM系统框图：
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基于经典控制理论的AQM
• 比例积分微分控制器设计（举例）
• 剩余问题就是选择合适的Kl、Kp、Kd使系统有足 够的稳定裕度和快速的反应。
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基于经典控制理论的AQM
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主动队列管理算法分类
• 发现拥塞之后处理方法的不同可以将主动 队列算法分为两类：
(1)通过对数据包打标记(比如说ECN，通过这种方 法实现的主动队列算法主要有BlUE以及针对BlUE 的改进算法SFB (2)通过丢弃数据包，通过这种方法实现的主动队列 算法比较多，主要有RED，FRED，CHOKe， CSFQ，PFED等
• 随着网络规模的急剧膨胀新出现的网络应用对服 务质量的要求越来越高在路由器中采用AQM 机制 显得尤其重要 • 1998 年IETF 建议在路由器中采用AQM 机制在国 际上掀起了研究AQM 机制的高潮 • 至2005 年8 月止以AQM 为关键词，在IEEE 的数 据库中可以检索到文章124 篇，Web of Science 数据库(SCI,SSCI,AHCI)中可以检索到文章624 篇， 在EI 数据库中可以检索到文章492 篇主动队列管 理成为网络研究的热点之一
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TCP/IP下的拥塞控制
• TCP /IP协议是目前互联网中使用最广泛的 传输协议。根据MCI 的统计，总字节数的 95%和总分组数的90%使用TCP 协议传输。 围绕着TCP /IP协议的拥塞控制一直都是互 联网的研究热点。 • TCP源端拥塞控制 • IP链路拥塞控制
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基于控制理论的AQM
• 随着对 TCP 协议运行机制认识的深入和计 算机网络建模技术的发展，将控制理论应 用于主动队列管理机制的设计成为可能并 且已经成为目前研究的热点。 • ①基于经典控制理论的AQM • ②基于鲁棒控制理论的AQM • ③基于智能控制理论的AQM
随着被控对象越来越复杂，基于精确模型的控制方法在面 对复杂控制系统的不确定性和复杂性的时候往往力不从心。 主要是解决经典控制理论难以解决的复杂系统的控制问题， 针对的研究对象是不确定的模型、高度的非线性、复杂的 任务要求。
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基于控制理论的AQM
优越性：
• (1)设计方法更加科学，参数配置变得容易 • (2)算法的性能对网络条件的敏感性降低 • (3)大部分基于控制理论设计的AQM 机制 的复 杂程度与RED 相当，实现简单，适用于高速网 络 • (4)具有明确的控制目标，消除了队列长度与负 载的耦合，减小了队列振荡
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总结
• 由于 Internet传输的突发性和弃尾队列管理方法的不足， IETF建议在路由器中采用主动队列管理机制以克服DT的 缺陷，并且在尽力服务网络中提供低延迟低丢失率的服务 • 尽管多数路由器支持RED等算法例如Cisco的多数路由器 部署了RED的变种算法Cisco’s WRED，但是AQM机制在 路由器的默认配制中都是禁止的，因此目前为止AQM的 应用情况仍然很难估计。 • 自 1998 年以来研究者提出了近百种的AQM 算法，尽管 该领域的研究已经持续了几年，但仍然没有获得广泛认可 和应用的方案，仍然存在许多尚未充分展开和尚待解决的 问题，包括流量模型稳定性、多AQM 协同工作等理论难 题，以及在无线网络区分服务组播等环境下的应用问题都 需要研究者的进一步关注
AQM BLUE 控制模型 On-off 特点 动态微调报文丢弃概率
RED
DRED AVQ
I
I P
加权平均队列长（min,max）
常值队列长度作为控制目标 维持一个虚拟队列并调整
源自文库
PI
PAQM
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PI
PID
控制目标，更快，无稳差
获控制量变化趋势早期修正
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新型控制理论的AQM
• 基于鲁棒控制理论的AQM • 基于智能控制理论的AQM • 作用：
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随机早期检测(RED)算法
• RED算法采用简单的控制机制，很容易实现，因此也得到 了业界的广泛认可和支持； • 但是RED算法还存在许多问题： ①参数设计和网络状况对RED算法的性能有很大的影响， 在特定网络负载状态下依然会导致队列震荡、吞吐量降低 和延迟抖动加剧； ②RED算法还存在公平性和稳定性问题。 • 针对RED 算法的缺陷，已经提出许多相关的改进方案（ WRED，FRED，Stabilized-RED和 Adaptive RED 等） 和新的主动队列管理算法（PI 控制器，REM 和AVQ 等）， 它们的主要思路是根据网络中负载的情况对标记或丢失概 率进行动态调整。
2009-11-18
被动队列管理的缺陷
• 算法： ①弃尾队列管理算法（DT） ②随机丢弃管理算法（RD） ③从前丢弃管理算法（DF） • 缺陷： • 1.死锁问题：同步定时，数据独占队列 • 2.满队列问题：队列充满，延时 • 3.全局同步问题：TCP流自适应特性
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发展趋势
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基于控制理论的AQM
• 基于控制理论的AQM 算法是当前研究的热 点和主流，但仍然存在不足：
• (1)没有充分考虑被控对象模型的不精确性，如①近似模型只考虑了TCP 流而 没有考虑UDP 等采用其它协议的流②只考虑了TCP 协议的拥塞避免阶段忽略 了慢启动和超时阶段③在模型线性化过程中假设活跃的TCP 连接数目TCP连 接的RTT 等参数在较长时间内保持不变 (2)对被控对象缺乏深入的分析导致AQM 控制器不能很好地保证系统的稳态 性能和暂态性能。当传输延迟比较大的无线网络接入到高速有线网络中构成 了与当前网络不同的高带宽延迟积网络，仿真实验中现有的算法在这些复杂 的网络环境中不能取得令人满意的效果。 (3)当前的控制模型忽略了网络中多个路由器采用异种AQM 机制时报文标记 效果的相互影响而这是AQM 获得应用必须要解决的问题。
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TCP/IP下的拥塞控制
拥塞控制
TCP源端拥塞控制
IP链路拥塞控制
①慢启动 ②拥塞避免 ③快速重传④快速恢复
①队列管理 ②分组调度
被动
Tahoe Fast Reno Sack HSTCP XCP
主动
Red AVQ
DRed PI
WRed PID
BLUE PAQM
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Vegas TFRC
• 拥塞反馈信号的形式，主要包括丢弃分组和标记 分组 • RFC3168 提出ECN (Explicit Congestion Notification)规范，主要工作原理是：在连接建立 阶段，TCP发送端、接收端和路由器声明支持 ECN；当网络发生拥塞时，路由器设置TCP 分组 头部的拥塞标记位；接收端检测到拥塞标记位后， 设置确认分组的相应位；发送端根据拥塞标记位 判断网络拥塞，并增减拥塞窗口
几种AQM与ECN对网络的影响
把端到端的响应时间作为评价标准， 则有如下的结论：
• 没有利用ECN机制，运行在比特模式下的ARED是最好的设计方案， 但是运行在分组包模式下时却是最差的设计，甚至比DT还要差。 • 利用ECN机制的PI与REM是最好的设计，但是不利用ECN的话， REM的性能会比DT还要差。 • ECN对ARED没有什么帮助，即使改进ECN对ARED性能的提升也不 高，ARED最好的性能发挥在比特模式下。 • AQM对网络性能的影响是否显著决定于RTT的抖动幅度，当RTT跳跃 的很大时，AQM于ECN对网络的响应时间性能的影响降低。 • 对特定的网络，需要采用合适的AQM，才能在网络高负荷时仍然能获 得很好的网络性能。