一种新的基于网络丢包率的主动队列管理策略
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
２４
微电子学与计算机
２００７ 年第 ２４ 卷第 ２ 期
一种新的基于网络丢包率的主动队列管理策略
纪晓乾，董恩清
（苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 ２１５０２１）
摘 要： 提出了一种新的基于网络丢包率的动态自适应的主动队列管理的改进算法。该算法首先用早期网络的
丢包率标记到达的数据包，并作为数据包的丢弃概率。这样使得到达数据包的丢弃概率逼近当前实际网络的丢
包率，然后经过自适应调整丢弃概率使得缓冲队列长度保持在一定范围内。通过 ＮＳ 仿真实验表明了该算法可以
很好的控制队列长度，降低延迟抖动。
关键词： 队列管理；丢包率；拥塞控制；拥塞避免
中图分类号：ＴＰ３９３
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－ ７１８０（２００７）０２－ ００２４－ ０４
Ａ Ｎｅｗ Ａｃｔｉｖｅ Ｑｕｅｕｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｃｈｅｍｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐａｃｋｅｔ Ｌｏｓｓ Ｒａｔｉｏ
ＪＩ Ｘｉａｏ－ｑｉａｎ， ＤＯＮＧ Ｅｎ－ｑｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｏｏｃｈｏｗ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｕｚｈｏｕ ２１５０２１， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａ ｎｅｗ ｄｙｎａｍｉｃ ａｄａｐｔｉｖｅ ＡＱＭ（Ａｃｔｉｖｅ Ｑｕｅｕｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｌｏｓｓ ｒａｔｉｏ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｍａｒｋ ｔｈｅ ａｒｒｉｖｉｎｇ ｐａｃｋｅｔ ｉｓ ｍａｒｋｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｄｒｏｐ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｃａｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ． Ｂｙ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｏｐ ｐｒｏｂ－ ａｂｉｌｉｔｙ ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ， ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｂｕｆｆｅｒ ｑｕｅｕｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｋｅｐｔ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ａｒｅａ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｕｓｉｎｇ ＮＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏｏｌ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｆｌｅｘｉｂｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｑｕｅｕｅ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｊｉｔｔｅｒ ｏｆ ｄｅｌａｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｑｕｅｕｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ； Ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ｒａｔｉｏ； Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ
１ 引言 随着 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 本身的迅速发展，其网络规模越
来越庞大，结构日益复杂，仅仅依靠端到端的拥塞 控制是不够的，所以网络元素必须参与资源的控制 工作。由于带宽、缓存等资源相对需求日益缺乏，导 致 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 还会继续变得拥塞。目前解决拥塞的主 要方法：① 继续改进已经有的端到端拥塞控制策 略，并将其作为 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 上的主要拥塞控制机制； ② 引用价格等经济因素限制用户对网络资源的需 求，减少拥塞的发生；③ 在路由器中采用排队算法 和数据包丢弃策略，也就是 ＩＰ 拥塞控制问题。排队 算法通过决定哪些包可以传，而丢弃策略通过决定 哪些包被丢弃并分配缓存。
最早的 ＩＰ 处理拥塞的算法是尾丢弃（Ｄｒｏｐ－ Ｔａｉｌ），但是此方法会在拥塞的路由器上出现大量的 队列延时，且容易引起全局同步。因此，近年来有学 者提出主动队列管理（Ａｃｔｉｖｅ Ｑｕｅｕｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， ＡＱＭ）机制［１，２］。ＡＱＭ 算法的思想是，在队列尚未溢
收稿日期： ２００５－ １２－ ２４ 基金项目： 国家自然科学基金项目（６０５７２０７４）
出以前就根据各种机制判断网络中的拥塞情况而 采用一定的概率进行丢包，或者通过标记包来通知 发送端采用一定拥塞控制措施。各种 ＡＱＭ 算法差 异在于判断拥塞状况的机制和丢弃包的方法。最早 经典的当数由 Ｆｌｏｙｄ 等于 １９９３ 年提出的随机早期 丢弃（Ｒａｎｄｏｍ Ｅａｒｌｙ Ｄｒｏｐ，ＲＥＤ）算法［３］，该算法是目 前最常用的一种 ＡＱＭ 算法。
ＲＥＤ 算法用平均队列长度计算丢弃概率，ＲＥＭ 用队列长度和数据速率计算丢弃概率，本文提出了 一种用丢包率计算丢弃概率的主动队列管理策略 ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ。
２ ＲＥＤ 算法描述 ＲＥＤ 的基本思想是路由器通过监控队列的平
均长度来探测拥塞。一旦发现拥塞逼近，就随机地 选择源端来通知拥塞，使它们在队列溢出之前降低 发送数据速率，以缓解网络拥塞。ＲＥＤ 算法主要包 括两步，首先计算平均队列长度，然后计算丢弃包 的概率。ＲＥＤ 在计算平均队长 ａ ｖｇＱ 时，采用了类似 低通滤波器带权值的方法：
２００７ 年第 ２４ 卷第 ２ 期
微电子学与计算机
２５
ａ ｖｇＱ ＝（１－ ｗｑ）×ａ ｖｇＱ ＋Ｑ×ｗｑ
（１）
式中，ｗｑ 为权值，Ｑ 为采样测量时实际队列长度。经
过平均队长的计算过滤掉由于 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 数据的突发
性导致的短期队长变化，使其尽量反映长期的拥塞
变化。权值 ｗｑ 相当于低通滤波器的时间常数，它决 定了路由器对输入流量变化的反应程度。计算平均
队长的目的就是为了反映拥塞程度并据此来计算
丢包概率。
ＲＥＤ 算法采用有两个和队列长度相关的阈值：
ｍｉｎｔｈ 和 ｍａｘｔｈ。当有数据包到达路由器时，ＲＥＤ 计算 出平均队长 ａ ｖｇＱ，若 ａ ｖｇＱ 小于 ｍｉｎｔｈ，则没有包需要 丢弃；当 ｍｉｎｔｈ≤ａ ｖｇＱ≤ｍａｘｔｈ 时，计算出概率 Ｐ，并且 以此概率丢弃包；当 ａ ｖｇＱ＞ｍａｘｔｈ 时，所有的包都被丢 弃。计算丢包概率 Ｐ 的方法如下：
Ｐｂ＝
ａ ｖｇＱ－ ｍａｘｔｈ－
ｍｉｎｔｈ ｍｉｎｔｈ
×ｍａｘｐ
（２）
Ｐ
＝
１－
Ｐｂ ｃｏｕｎｔ×Ｐｂ
（３）
其中概率 Ｐ 不仅和 ａｖｇＱ 有关，而且还和 ａ ｖｇＱ 从上
一次丢包开始到现在连续进入队列的包的数量
ｃｏｕｎｔ 有关。随着 ｃｏｕｎｔ 的增加，下一个包被丢弃的
可能性也在缓慢增加。这主要是为了在后期到来包
之间均匀间隔地丢包，避免连续丢包，以消除对突
发流的偏见和产生全局同步现象。
ｌｏｓ（ｓ ｋ）＝ｌｏｓ（ｓ ｋ－ １）×ｍｗ＋（１－ ｍｗ）×ｌｏｓ（ｓ ｋ）（４）
Ｍ－ １
"Ｎ（ｄ ｋ－ ｉ）
ｌｏｓ（ｓ ｋ）＝
ｉ＝ Ｍ－
０ １
"Ｎ（ａ ｋ－ ｉ）
ｉ＝０
（５）
式中 ｍｗ 是平滑权值，Ｎ（ａ ｋ），Ｎ（ｄ ｋ）分别是第 ｋ 时间 段到达和丢弃的数据包数量。
② 自适应调节丢弃概率
由于网络丢包率不可能逐点计算，可以采用每
隔一定时间计算一次。但是这样对于网络的突发数
据流就显得迟钝了。因此可以用 ＭＩＭＤ（Ｍｕｌｔｉｐｌｙ
Ｉｎｃｒｅａｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｙ Ｄｅｃｒｅａｓｅ）在短时间上对丢弃概率
进行自适应调整，使得缓冲队列长度保持在比较好
的范围内。ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 过程如图 ２ 所示。
３ 基于网络丢包率的主动队列管理策略 以前很多对 ＲＥＤ 算法的改进主要针对判断拥
塞状况的机制和丢弃概率的标记方法。传统 ＲＥＤ 算法以平均队列长度作为拥塞判断的依据，并且由 此来计算到达数据包的丢弃概率，本文提出的 ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 仍然针对丢弃概率的标记方法做了部 分改进，并且采用根据队列长度自适应的调节丢弃 概率的策略。主要思想可以概括如下：
① 丢弃概率计算方法 仍然以平均队列长度作为判断依据，但对数据 包的丢弃概率计算方法做了修改。具体的修正方法 是用先前网络丢包率来标记到达数据包，作为数据 包的丢弃概率，这样可以使得到达数据包的丢弃概 率与网络的丢包率相逼近［４］。本文算法采用指数滑 动平均的方法来计算网络丢包率，如图 １ 所示，即
４ 仿真实验及性能分析 实验仿真是在 Ｎ（Ｓ Ｎｅｔ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）软件系统平台
上进行的。采用如图 ３ 所示的网络拓扑结构。网络 中有两个路由器，路由器之间的链路带宽为 １０Ｍｂｐｓ，链路延迟 ２．５ｍｓ。各终端节点与边缘路由器 之间的链路带宽为 ０．５Ｍｂｐｓ，链路延迟 １０ｍｓ，并且 配上尾丢弃（ＤＴ）。分别对 ＴＣＰ 数据流量和 ＵＤＰ 数 据流量进行了实验。在上面给出的网络拓扑结构 上，分别对ＡＲＥＤ、ＲＥＭ 和 ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 进行仿阵测 试对比。
２６
微电子学与计算机
２００７ 年第 ２４ 卷第 ２ 期
在对 ＴＣＰ 流量的实验中，用 ＦＴＰ 产生 ＴＣＰ 流 量，数据包大小为 ５００ 字节，链路数量从开始的 ４００ 路增加到 ８５０ 路。图 ４ 中的（ａ）、（ｂ）、（ｃ）分别给出 了在 ＴＣＰ 流量下各种算法的丢包率、数据包延迟、 数据包平均延时抖动的对比。可以看出，本文提出 的 ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 算法在延迟和抖动方面都有明显的 优越性。
在针对 ＵＤＰ 流量的实验中，采用 ＮＳ 的流量发 生器产生 ＵＤＰ 数据流量，ＵＤＰ 链路从开始 ４００ 路 增加到 ８５０ 路。每路 ＵＤＰ 数据流均服从指数 Ｏｎ ／ｏｆｆ
分布，“Ｏｎ”状态为 ３５０ｍｓ，“Ｏｆｆ”状态为 ６５０ｍｓ，速率 为 ５０ｋＢ ／ｓ，数据包大小为 ５００ 字节。图 ５ 中的（ａ）、 （ｂ）、（ｃ）给出了在 ＵＤＰ 流量下各种算法的丢包率、 数据包延迟、数据包平均抖动的对比。从图可以看 出，当链路数在 ４００ 到 ５５０ 之间的时候，三种算法 效果基本没有差异，这主要是因为它们的算法原理 是一样的，同时由于在链路数为 ５５０ 路之前，瓶颈 链路都没有出现过载现象。当链路数超过 ５５０ 路到 ６００ 路时，路由器 １ 和路由器 ２ 之间的链路由于过 载导致拥塞，网络发生丢包，丢包率、抖动、延迟明
２００７ 年第 ２４ 卷第 ２ 期
微电子学与计算机
２７
显增加。从图中可以看出本文提出的ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 算 参考文献：
法在保证同样丢包率的情况下，能够降低端到端延 ［１］ Ｂ Ｂｒａｄｅｎ， ｅｔ ａｌ． Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｑｕｅｕｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
迟和抖动，而且效果比较明显。但从图中可以看出
ａｎｄ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ［Ｓ］． ＩＥＴＦ
ＴＣＰ 和 ＵＤＰ 流量作用下的仿真结果存在比较大的
ＲＦＣ２３０９， Ａｐｒ １９９８
差异，这个主要是由于 ＴＣＰ 和 ＵＤＰ 流量的本身的 ［２］ 高文宇， 王建新， 陈松乔． 几种公平的主动队列管理算法
差异性引起的，ＴＣＰ 是面向连接的，而 ＵＤＰ 是无连
的比较研究 ［Ｊ］． 微电子学与计算机， ２００５， ２２（７）： ３６￣４１
接的。
［３］ Ｓ Ｆｌｏｙｄ， Ｖ Ｊａｃｏｂｓｏｎ． Ｒａｎｄｏｍ ｅａｒｌｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｇａｔｅｗａｙｓ ｆｏｒ
ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ［Ｊ］． ＩＥＥＥ／ＡＣＭ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ－
５ 结束语
ｉｎｇ， Ａｕｇ １９９３， （１ ４）： ３９７￣ ４１３
本文提出了一种新的基于网络丢包率的主动 ［４］ Ｃｈｏｎｇｇａｎｇ Ｗａｎｇ， Ｂｉｎ Ｌｉ， Ｙ Ｔｈｏｍａｓ Ｈｏｕ， ｅｔ ａｌ． Ａ Ｒｏｂｕｓｔ
队列管理算法。该算法的主要思想一方面是用网络
Ａｃｔｉｖｅ Ｑｕｅｕｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｃｈｅｍｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐａｃｋｅｔ Ｌｏｓｓ
丢包率标记到达数据包，作为数据包的丢弃概率；
Ｒａｔｉｏ ［Ｃ］． ＩＥＥＥ ＩＮＦＯＣＯＭ２００４， ２００４： １￣１２
另一方面，根据队列长度来调整丢弃概率使得队列
长度保持稳定。通过在 ＮＳ 软件仿真平台上分别采 作者简介：
用丢包率、端到端延迟和抖动指标与 ＲＥＭ、ＡＲＥＤ 纪晓乾 男， （１９８０－ ），硕士研究生。研究方向为 ＶｏＩＰ ＱｏＳ 技
算法做对比表明，本文算法 ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 算法能够较 术、网络拥塞控制。
好地控制队列长度、降低延迟抖动。
董恩清 男，（１９６５－ ），博士，教授。研究方向为语音编码、
微电子学与计算机
２００７ 年第 ２４ 卷第 ２ 期
一种新的基于网络丢包率的主动队列管理策略
纪晓乾，董恩清
（苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 ２１５０２１）
摘 要： 提出了一种新的基于网络丢包率的动态自适应的主动队列管理的改进算法。该算法首先用早期网络的
丢包率标记到达的数据包，并作为数据包的丢弃概率。这样使得到达数据包的丢弃概率逼近当前实际网络的丢
包率，然后经过自适应调整丢弃概率使得缓冲队列长度保持在一定范围内。通过 ＮＳ 仿真实验表明了该算法可以
很好的控制队列长度，降低延迟抖动。
关键词： 队列管理；丢包率；拥塞控制；拥塞避免
中图分类号：ＴＰ３９３
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－ ７１８０（２００７）０２－ ００２４－ ０４
Ａ Ｎｅｗ Ａｃｔｉｖｅ Ｑｕｅｕｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｃｈｅｍｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐａｃｋｅｔ Ｌｏｓｓ Ｒａｔｉｏ
ＪＩ Ｘｉａｏ－ｑｉａｎ， ＤＯＮＧ Ｅｎ－ｑｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｏｏｃｈｏｗ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｕｚｈｏｕ ２１５０２１， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａ ｎｅｗ ｄｙｎａｍｉｃ ａｄａｐｔｉｖｅ ＡＱＭ（Ａｃｔｉｖｅ Ｑｕｅｕｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｌｏｓｓ ｒａｔｉｏ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｍａｒｋ ｔｈｅ ａｒｒｉｖｉｎｇ ｐａｃｋｅｔ ｉｓ ｍａｒｋｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｄｒｏｐ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｃａｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ． Ｂｙ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｏｐ ｐｒｏｂ－ ａｂｉｌｉｔｙ ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ， ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｂｕｆｆｅｒ ｑｕｅｕｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｋｅｐｔ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ａｒｅａ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｕｓｉｎｇ ＮＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏｏｌ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｆｌｅｘｉｂｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｑｕｅｕｅ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｊｉｔｔｅｒ ｏｆ ｄｅｌａｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｑｕｅｕｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ； Ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ｒａｔｉｏ； Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ
１ 引言 随着 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 本身的迅速发展，其网络规模越
来越庞大，结构日益复杂，仅仅依靠端到端的拥塞 控制是不够的，所以网络元素必须参与资源的控制 工作。由于带宽、缓存等资源相对需求日益缺乏，导 致 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 还会继续变得拥塞。目前解决拥塞的主 要方法：① 继续改进已经有的端到端拥塞控制策 略，并将其作为 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 上的主要拥塞控制机制； ② 引用价格等经济因素限制用户对网络资源的需 求，减少拥塞的发生；③ 在路由器中采用排队算法 和数据包丢弃策略，也就是 ＩＰ 拥塞控制问题。排队 算法通过决定哪些包可以传，而丢弃策略通过决定 哪些包被丢弃并分配缓存。
最早的 ＩＰ 处理拥塞的算法是尾丢弃（Ｄｒｏｐ－ Ｔａｉｌ），但是此方法会在拥塞的路由器上出现大量的 队列延时，且容易引起全局同步。因此，近年来有学 者提出主动队列管理（Ａｃｔｉｖｅ Ｑｕｅｕｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， ＡＱＭ）机制［１，２］。ＡＱＭ 算法的思想是，在队列尚未溢
收稿日期： ２００５－ １２－ ２４ 基金项目： 国家自然科学基金项目（６０５７２０７４）
出以前就根据各种机制判断网络中的拥塞情况而 采用一定的概率进行丢包，或者通过标记包来通知 发送端采用一定拥塞控制措施。各种 ＡＱＭ 算法差 异在于判断拥塞状况的机制和丢弃包的方法。最早 经典的当数由 Ｆｌｏｙｄ 等于 １９９３ 年提出的随机早期 丢弃（Ｒａｎｄｏｍ Ｅａｒｌｙ Ｄｒｏｐ，ＲＥＤ）算法［３］，该算法是目 前最常用的一种 ＡＱＭ 算法。
ＲＥＤ 算法用平均队列长度计算丢弃概率，ＲＥＭ 用队列长度和数据速率计算丢弃概率，本文提出了 一种用丢包率计算丢弃概率的主动队列管理策略 ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ。
２ ＲＥＤ 算法描述 ＲＥＤ 的基本思想是路由器通过监控队列的平
均长度来探测拥塞。一旦发现拥塞逼近，就随机地 选择源端来通知拥塞，使它们在队列溢出之前降低 发送数据速率，以缓解网络拥塞。ＲＥＤ 算法主要包 括两步，首先计算平均队列长度，然后计算丢弃包 的概率。ＲＥＤ 在计算平均队长 ａ ｖｇＱ 时，采用了类似 低通滤波器带权值的方法：
２００７ 年第 ２４ 卷第 ２ 期
微电子学与计算机
２５
ａ ｖｇＱ ＝（１－ ｗｑ）×ａ ｖｇＱ ＋Ｑ×ｗｑ
（１）
式中，ｗｑ 为权值，Ｑ 为采样测量时实际队列长度。经
过平均队长的计算过滤掉由于 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 数据的突发
性导致的短期队长变化，使其尽量反映长期的拥塞
变化。权值 ｗｑ 相当于低通滤波器的时间常数，它决 定了路由器对输入流量变化的反应程度。计算平均
队长的目的就是为了反映拥塞程度并据此来计算
丢包概率。
ＲＥＤ 算法采用有两个和队列长度相关的阈值：
ｍｉｎｔｈ 和 ｍａｘｔｈ。当有数据包到达路由器时，ＲＥＤ 计算 出平均队长 ａ ｖｇＱ，若 ａ ｖｇＱ 小于 ｍｉｎｔｈ，则没有包需要 丢弃；当 ｍｉｎｔｈ≤ａ ｖｇＱ≤ｍａｘｔｈ 时，计算出概率 Ｐ，并且 以此概率丢弃包；当 ａ ｖｇＱ＞ｍａｘｔｈ 时，所有的包都被丢 弃。计算丢包概率 Ｐ 的方法如下：
Ｐｂ＝
ａ ｖｇＱ－ ｍａｘｔｈ－
ｍｉｎｔｈ ｍｉｎｔｈ
×ｍａｘｐ
（２）
Ｐ
＝
１－
Ｐｂ ｃｏｕｎｔ×Ｐｂ
（３）
其中概率 Ｐ 不仅和 ａｖｇＱ 有关，而且还和 ａ ｖｇＱ 从上
一次丢包开始到现在连续进入队列的包的数量
ｃｏｕｎｔ 有关。随着 ｃｏｕｎｔ 的增加，下一个包被丢弃的
可能性也在缓慢增加。这主要是为了在后期到来包
之间均匀间隔地丢包，避免连续丢包，以消除对突
发流的偏见和产生全局同步现象。
ｌｏｓ（ｓ ｋ）＝ｌｏｓ（ｓ ｋ－ １）×ｍｗ＋（１－ ｍｗ）×ｌｏｓ（ｓ ｋ）（４）
Ｍ－ １
"Ｎ（ｄ ｋ－ ｉ）
ｌｏｓ（ｓ ｋ）＝
ｉ＝ Ｍ－
０ １
"Ｎ（ａ ｋ－ ｉ）
ｉ＝０
（５）
式中 ｍｗ 是平滑权值，Ｎ（ａ ｋ），Ｎ（ｄ ｋ）分别是第 ｋ 时间 段到达和丢弃的数据包数量。
② 自适应调节丢弃概率
由于网络丢包率不可能逐点计算，可以采用每
隔一定时间计算一次。但是这样对于网络的突发数
据流就显得迟钝了。因此可以用 ＭＩＭＤ（Ｍｕｌｔｉｐｌｙ
Ｉｎｃｒｅａｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｙ Ｄｅｃｒｅａｓｅ）在短时间上对丢弃概率
进行自适应调整，使得缓冲队列长度保持在比较好
的范围内。ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 过程如图 ２ 所示。
３ 基于网络丢包率的主动队列管理策略 以前很多对 ＲＥＤ 算法的改进主要针对判断拥
塞状况的机制和丢弃概率的标记方法。传统 ＲＥＤ 算法以平均队列长度作为拥塞判断的依据，并且由 此来计算到达数据包的丢弃概率，本文提出的 ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 仍然针对丢弃概率的标记方法做了部 分改进，并且采用根据队列长度自适应的调节丢弃 概率的策略。主要思想可以概括如下：
① 丢弃概率计算方法 仍然以平均队列长度作为判断依据，但对数据 包的丢弃概率计算方法做了修改。具体的修正方法 是用先前网络丢包率来标记到达数据包，作为数据 包的丢弃概率，这样可以使得到达数据包的丢弃概 率与网络的丢包率相逼近［４］。本文算法采用指数滑 动平均的方法来计算网络丢包率，如图 １ 所示，即
４ 仿真实验及性能分析 实验仿真是在 Ｎ（Ｓ Ｎｅｔ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）软件系统平台
上进行的。采用如图 ３ 所示的网络拓扑结构。网络 中有两个路由器，路由器之间的链路带宽为 １０Ｍｂｐｓ，链路延迟 ２．５ｍｓ。各终端节点与边缘路由器 之间的链路带宽为 ０．５Ｍｂｐｓ，链路延迟 １０ｍｓ，并且 配上尾丢弃（ＤＴ）。分别对 ＴＣＰ 数据流量和 ＵＤＰ 数 据流量进行了实验。在上面给出的网络拓扑结构 上，分别对ＡＲＥＤ、ＲＥＭ 和 ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 进行仿阵测 试对比。
２６
微电子学与计算机
２００７ 年第 ２４ 卷第 ２ 期
在对 ＴＣＰ 流量的实验中，用 ＦＴＰ 产生 ＴＣＰ 流 量，数据包大小为 ５００ 字节，链路数量从开始的 ４００ 路增加到 ８５０ 路。图 ４ 中的（ａ）、（ｂ）、（ｃ）分别给出 了在 ＴＣＰ 流量下各种算法的丢包率、数据包延迟、 数据包平均延时抖动的对比。可以看出，本文提出 的 ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 算法在延迟和抖动方面都有明显的 优越性。
在针对 ＵＤＰ 流量的实验中，采用 ＮＳ 的流量发 生器产生 ＵＤＰ 数据流量，ＵＤＰ 链路从开始 ４００ 路 增加到 ８５０ 路。每路 ＵＤＰ 数据流均服从指数 Ｏｎ ／ｏｆｆ
分布，“Ｏｎ”状态为 ３５０ｍｓ，“Ｏｆｆ”状态为 ６５０ｍｓ，速率 为 ５０ｋＢ ／ｓ，数据包大小为 ５００ 字节。图 ５ 中的（ａ）、 （ｂ）、（ｃ）给出了在 ＵＤＰ 流量下各种算法的丢包率、 数据包延迟、数据包平均抖动的对比。从图可以看 出，当链路数在 ４００ 到 ５５０ 之间的时候，三种算法 效果基本没有差异，这主要是因为它们的算法原理 是一样的，同时由于在链路数为 ５５０ 路之前，瓶颈 链路都没有出现过载现象。当链路数超过 ５５０ 路到 ６００ 路时，路由器 １ 和路由器 ２ 之间的链路由于过 载导致拥塞，网络发生丢包，丢包率、抖动、延迟明
２００７ 年第 ２４ 卷第 ２ 期
微电子学与计算机
２７
显增加。从图中可以看出本文提出的ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 算 参考文献：
法在保证同样丢包率的情况下，能够降低端到端延 ［１］ Ｂ Ｂｒａｄｅｎ， ｅｔ ａｌ． Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｑｕｅｕｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
迟和抖动，而且效果比较明显。但从图中可以看出
ａｎｄ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ［Ｓ］． ＩＥＴＦ
ＴＣＰ 和 ＵＤＰ 流量作用下的仿真结果存在比较大的
ＲＦＣ２３０９， Ａｐｒ １９９８
差异，这个主要是由于 ＴＣＰ 和 ＵＤＰ 流量的本身的 ［２］ 高文宇， 王建新， 陈松乔． 几种公平的主动队列管理算法
差异性引起的，ＴＣＰ 是面向连接的，而 ＵＤＰ 是无连
的比较研究 ［Ｊ］． 微电子学与计算机， ２００５， ２２（７）： ３６￣４１
接的。
［３］ Ｓ Ｆｌｏｙｄ， Ｖ Ｊａｃｏｂｓｏｎ． Ｒａｎｄｏｍ ｅａｒｌｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｇａｔｅｗａｙｓ ｆｏｒ
ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ［Ｊ］． ＩＥＥＥ／ＡＣＭ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ－
５ 结束语
ｉｎｇ， Ａｕｇ １９９３， （１ ４）： ３９７￣ ４１３
本文提出了一种新的基于网络丢包率的主动 ［４］ Ｃｈｏｎｇｇａｎｇ Ｗａｎｇ， Ｂｉｎ Ｌｉ， Ｙ Ｔｈｏｍａｓ Ｈｏｕ， ｅｔ ａｌ． Ａ Ｒｏｂｕｓｔ
队列管理算法。该算法的主要思想一方面是用网络
Ａｃｔｉｖｅ Ｑｕｅｕｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｃｈｅｍｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐａｃｋｅｔ Ｌｏｓｓ
丢包率标记到达数据包，作为数据包的丢弃概率；
Ｒａｔｉｏ ［Ｃ］． ＩＥＥＥ ＩＮＦＯＣＯＭ２００４， ２００４： １￣１２
另一方面，根据队列长度来调整丢弃概率使得队列
长度保持稳定。通过在 ＮＳ 软件仿真平台上分别采 作者简介：
用丢包率、端到端延迟和抖动指标与 ＲＥＭ、ＡＲＥＤ 纪晓乾 男， （１９８０－ ），硕士研究生。研究方向为 ＶｏＩＰ ＱｏＳ 技
算法做对比表明，本文算法 ＡＱＭＳ＿ＰＬＲ 算法能够较 术、网络拥塞控制。
好地控制队列长度、降低延迟抖动。
董恩清 男，（１９６５－ ），博士，教授。研究方向为语音编码、