吳 斌，馬繼濤，鄔 平，譚 鵬

(云南省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究院，云南 昆明 650051)

基于特征分析方法消解RED冗余參數(shù)*

吳 斌，馬繼濤，鄔 平，譚 鵬

(云南省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究院，云南 昆明 650051)

RED算法是網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的基礎(chǔ)算法，加載算法需要設(shè)置隊(duì)列平均長(zhǎng)度、隊(duì)列丟包上下限閾值、數(shù)據(jù)包平均尺寸等多項(xiàng)參數(shù)，且參數(shù)設(shè)置沒(méi)有明確的規(guī)則限制和理論依據(jù)，不合理的參數(shù)值會(huì)削弱算法的擁塞控制效果。在網(wǎng)絡(luò)擁塞特征分析的基礎(chǔ)上，挖掘數(shù)據(jù)包達(dá)到速率和數(shù)據(jù)包處理速度兩個(gè)擁塞控制指標(biāo)之間的關(guān)系，建立指標(biāo)與RED算法參數(shù)的映射，消解多余參數(shù)并確定參數(shù)值域范圍，改善算法在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的擁塞控制效果，提高算法的實(shí)用性。

隨機(jī)早期偵測(cè)；特征方程；擁塞控制；線(xiàn)性映射

1 引言

隨機(jī)早期偵測(cè)RED(Random Early Detection)是網(wǎng)絡(luò)擁塞控制經(jīng)典算法，其主要設(shè)計(jì)思路是在平均隊(duì)列長(zhǎng)度和網(wǎng)絡(luò)擁塞程度之間建立分段函數(shù)，通過(guò)概率方法控制隊(duì)列數(shù)據(jù)包的丟棄行為，將平均隊(duì)列長(zhǎng)期穩(wěn)定于擁塞控制范圍，最終達(dá)到擁塞控制的目的[1]。RED算法在實(shí)際應(yīng)用中面臨的難點(diǎn)是參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制與調(diào)整以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，其原因在于幾個(gè)具有耦合關(guān)系的參數(shù)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)很敏感，若參數(shù)設(shè)置不當(dāng)將削弱算法網(wǎng)絡(luò)擁塞控制能力，降低網(wǎng)絡(luò)整體性能[2～5]。

近年來(lái)，眾多學(xué)者針對(duì)這一難點(diǎn)提出了許多新的理論方法。文獻(xiàn)[2]利用非線(xiàn)性滑模控制方法解決線(xiàn)性方法不能準(zhǔn)確跟蹤網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題，避開(kāi)系統(tǒng)輸入受限問(wèn)題，存在緩沖區(qū)溢出的可能性。文獻(xiàn)[3]基于TCP自同步特性改進(jìn)RED算法，獲得比原有算法更寬松的參數(shù)設(shè)置范圍，但沒(méi)有對(duì)參數(shù)取值合理性進(jìn)行分析，參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)敏感問(wèn)題仍舊存在。文獻(xiàn)[4]利用數(shù)學(xué)期望分析TCP/RED擁塞控制機(jī)制離散模型穩(wěn)定狀態(tài)行為，推導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定狀態(tài)期望值與參數(shù)解析關(guān)系式、算法配置及應(yīng)用難度較大。文獻(xiàn)[5]利用二次圓函數(shù)計(jì)算丟包概率，減少算法中最大丟棄概率maxp與隊(duì)列qmax兩項(xiàng)參數(shù)，沒(méi)有綜合考慮其參數(shù)的耦合性。為此，本文將利用特征分析方法建立網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)特征方程，基于工程經(jīng)驗(yàn)消解冗余參數(shù)。

2 網(wǎng)絡(luò)擁塞特征分析

2.1 擁塞分析

網(wǎng)絡(luò)擁塞通常發(fā)生于寬帶鏈路與窄帶鏈路的連接點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)包處理能力有限，當(dāng)鏈路數(shù)據(jù)包到達(dá)速率大于節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)包處理速率，隊(duì)列緩存出現(xiàn)累積效應(yīng)；若單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)到達(dá)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)包處理速率，可能發(fā)生Floyd S等人[6]于1999年所論述的擁塞崩潰現(xiàn)象。

若要在時(shí)間t內(nèi)避免擁塞崩潰，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)包到達(dá)率(dμ(t)/dt)減數(shù)據(jù)包離開(kāi)率(dυ(t)/dt)與數(shù)據(jù)隊(duì)列緩存長(zhǎng)度(dl(t)/dt)之和應(yīng)小于或等于物理緩存長(zhǎng)度L：

(1)

2.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)及處理分析

(1)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)分布。

由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包具有突發(fā)特性，且在單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)包與起始時(shí)間無(wú)關(guān)，只與時(shí)間長(zhǎng)度有關(guān)，數(shù)據(jù)包到達(dá)數(shù)量呈非線(xiàn)性單調(diào)增加，滿(mǎn)足泊松流分布特性[7]。根據(jù)泊松流定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)分布：

(2)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處數(shù)據(jù)包到達(dá)率為λe-λt，在t時(shí)間內(nèi)平均到達(dá)數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)mi的期望值：

(3)

(2)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包處理時(shí)間分布。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包處理時(shí)長(zhǎng)與數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間分布無(wú)關(guān)，即到達(dá)過(guò)程與處理過(guò)程相互獨(dú)立。為方便量化處理過(guò)程，我們將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)視同為黑盒[8]，單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)數(shù)據(jù)包速率作為衡量數(shù)據(jù)包處理性能指標(biāo)。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包處理速度為常量，數(shù)據(jù)包處理時(shí)間滿(mǎn)足均勻分布[9]：

(4)

在t時(shí)間內(nèi)平均離開(kāi)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)ni的期望：

(5)

(3)隊(duì)列緩存長(zhǎng)度時(shí)間分布。

隊(duì)列緩存長(zhǎng)度時(shí)間分布與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)分布、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間分布具有相關(guān)聯(lián)系。設(shè)節(jié)點(diǎn)處緩存容限無(wú)限大(L→∞)，以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包處理時(shí)間為單位時(shí)間(t)，則n個(gè)單位時(shí)間長(zhǎng)度(T=nt)范圍內(nèi)三者關(guān)系如式(6)所示：

(6)

3 RED冗余參數(shù)消解

3.1 參數(shù)說(shuō)明

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加載RED擁塞算法需要設(shè)置隊(duì)列平均長(zhǎng)度、隊(duì)列丟包上下限閾值、數(shù)據(jù)包平均尺寸等多項(xiàng)參數(shù)[10]，參數(shù)說(shuō)明見(jiàn)表1。

Table 1 Arguments of the algorithm表1 算法參數(shù)說(shuō)明表

隊(duì)列中設(shè)置數(shù)據(jù)包下限閾值(min)和上限閾值(max)，旨在界定一個(gè)合理范圍，使網(wǎng)絡(luò)在不同擁塞程度有不同的丟棄概率，丟棄概率與擁塞程度成線(xiàn)性關(guān)系。

3.2 參數(shù)說(shuō)明

RED算法將擁塞程度(D)與隊(duì)列平均長(zhǎng)度相關(guān)聯(lián)[11]，我們認(rèn)為擁塞程度與網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的可能成正比，因此采用分段表示擁塞程度：

(7)

首先，根據(jù)式(7)的定義，當(dāng)隊(duì)列占滿(mǎn)時(shí)到達(dá)數(shù)據(jù)包將被全部丟棄，此刻丟棄概率為1，而隊(duì)列為空時(shí)丟棄概率為0。若將min與max直接與平均隊(duì)列長(zhǎng)度映射會(huì)使算法在無(wú)擁塞情況下也產(chǎn)生丟包行為。為保證算法可用性，借鑒前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]，當(dāng)平均隊(duì)列大于75%時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有擁塞發(fā)生的可能，將可用隊(duì)列緩存長(zhǎng)度與擁塞發(fā)生區(qū)間進(jìn)行線(xiàn)性映射，消解min、max和probability三個(gè)參數(shù)。

其次，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包處理能力有限，數(shù)據(jù)包平均處理時(shí)長(zhǎng)等于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包處理速度與網(wǎng)絡(luò)平均封包之商。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)[13]，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包處理速度在隊(duì)列緩沖區(qū)飽和情況下趨近于節(jié)點(diǎn)上行網(wǎng)絡(luò)速率，這意味著在網(wǎng)絡(luò)擁塞可能發(fā)生的情況下，可將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包平均處理速度與節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包離開(kāi)速度等同處理。

第三，網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列長(zhǎng)度取值太大則增加網(wǎng)絡(luò)延遲，太小又容易增加數(shù)據(jù)包的丟棄數(shù)量[14]。Internet數(shù)據(jù)包傳輸容忍延遲為300 ms[15]，緩存隊(duì)列長(zhǎng)度取值根據(jù)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)包發(fā)送速率、數(shù)據(jù)包傳輸容忍延遲以及數(shù)據(jù)包平均尺寸計(jì)算，消解參數(shù)limit。

最后，為減少數(shù)據(jù)丟棄概率計(jì)算的頻率，算法采用burst參數(shù)對(duì)每輪計(jì)算的隊(duì)列平均長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。我們假定網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)單位時(shí)間內(nèi)丟棄概率不變時(shí)，平均隊(duì)列長(zhǎng)度進(jìn)入max與min區(qū)域，基于二分法消解burst。

消解步驟具體如下：

步驟1消解緩存隊(duì)列長(zhǎng)度參數(shù)，計(jì)算式：limit=bandwidth×0.3/(avpkt×8)；

步驟2消解隊(duì)列上下限閾值參數(shù)，計(jì)算式：max=limit以及min=limit×75%；

步驟3消解突發(fā)數(shù)據(jù)包參數(shù)，計(jì)算式：burst=limit/2(max-min) ×bandwidth/avpkt；

冗余參數(shù)消解后，加載RED擁塞控制算法只需要取值實(shí)際物理網(wǎng)絡(luò)接口的連接速率以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包平均尺寸，降低了RED應(yīng)用的難度。

4 參數(shù)驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證方法

為了驗(yàn)證算法消解后的參數(shù)能否對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞現(xiàn)象進(jìn)行有效控制，我們?cè)贠pnet仿真環(huán)境中模擬網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)兩端不同寬/窄帶寬鏈路，包括小型企業(yè)接入(100M局域網(wǎng)-2MADSL租用線(xiàn)路)、組織機(jī)構(gòu)接入(100M局域網(wǎng)-10M光纖租用線(xiàn)路)和大中型企業(yè)接入(100M局域網(wǎng)-100M光纖租用線(xiàn)路)三種常見(jiàn)環(huán)境，人為制造網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象(設(shè)置ecn為0值，即發(fā)生擁塞時(shí)節(jié)點(diǎn)不通知遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)包速率過(guò)快)。從網(wǎng)絡(luò)延遲、丟包率兩個(gè)方面來(lái)驗(yàn)證bandwidth和avpkt兩個(gè)參數(shù)的RED算法在發(fā)生擁塞時(shí)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)能保持一個(gè)可容忍的范圍，具體配置見(jiàn)表2。

Table 2 Simulation configuration forarguments test of the algorithm表2 算法參數(shù)驗(yàn)證仿真配置

利用參數(shù)消解計(jì)算的數(shù)值與前人經(jīng)驗(yàn)設(shè)置范圍趨同[17, 18]，參數(shù)消解方法對(duì)于不同網(wǎng)絡(luò)具有較好的適應(yīng)性。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為能實(shí)際反映算法對(duì)于三種不同網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)擁塞參數(shù)的控制效果，選擇節(jié)點(diǎn)窄帶鏈路的網(wǎng)絡(luò)延遲、RED平均隊(duì)列、鏈路利用率、數(shù)據(jù)包接收速率和數(shù)據(jù)包丟棄速率進(jìn)行測(cè)量。

(1)100 M Ethernet-2 M ADSL(見(jiàn)圖1)。

仿真測(cè)試環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間長(zhǎng)度為150 s，2分鐘網(wǎng)絡(luò)延遲增加到300 ms左右；RED平均隊(duì)列長(zhǎng)度達(dá)到76，與max參數(shù)設(shè)置趨同；鏈路利用率為100%，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，數(shù)據(jù)包丟棄率為40包/s，接收率為250包/s，丟棄率為40/(250+40)?13%，300 ms延遲為數(shù)據(jù)包傳輸容忍延遲，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，網(wǎng)絡(luò)仍能保持通信，算法參數(shù)的取值較好地適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，沒(méi)有引起取值不當(dāng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象發(fā)生[19]。

Figure 1 100 M-2 M congestion control test圖1 100 M-2 M 擁塞控制測(cè)試

(2)100 M Ethernet-10 M Ethernet(見(jiàn)圖2)。

在數(shù)據(jù)源發(fā)送速率不變的情況下，鏈路利用率只有25%，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)處于不飽和狀態(tài)，因此算法沒(méi)有以概率方式丟棄數(shù)據(jù)包，避免了網(wǎng)絡(luò)鏈路不飽和時(shí)算法強(qiáng)制丟包的現(xiàn)象，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)延遲為6 ms。算法運(yùn)行于節(jié)點(diǎn)中，增加了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包處理的負(fù)荷，傳輸延遲較網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)略有增加。

Figure 2 100 M-10 M congestion control test圖2 100 M-10 M 擁塞控制測(cè)試

(3)100 M Ethernet-100 M Ethernet(見(jiàn)圖3)。

當(dāng)數(shù)據(jù)源發(fā)送速率不變且節(jié)點(diǎn)兩端均為100 M連接時(shí)，鏈路利用率幾乎為零，鏈路帶寬處于空閑狀態(tài)，RED平均隊(duì)列為0，說(shuō)明到達(dá)數(shù)據(jù)包被立即處理，無(wú)丟包現(xiàn)象發(fā)生，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲為4 ms，RED算法不干預(yù)傳輸過(guò)程。

Figure 3 100 M-100 M congestion control test圖3 100 M-100 M 擁塞控制測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)特征分析擁塞控制指標(biāo)與參數(shù)之間關(guān)系，通過(guò)映射方法消解RED算法中隊(duì)列緩存長(zhǎng)度、隊(duì)列丟棄上/下限閾值、數(shù)據(jù)包丟棄概率及突發(fā)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包五個(gè)需專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)才能配置的復(fù)雜參數(shù)項(xiàng)。算法僅需配置網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包平均尺寸和節(jié)點(diǎn)處的網(wǎng)絡(luò)接口連接速率兩個(gè)參數(shù)，降低了RED算法在傳統(tǒng)應(yīng)用中的人工干預(yù)，提高了算法的適用性。實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)行參數(shù)消解后的算法能夠適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境需要，在保障RED算法擁塞控制效果的同時(shí)降低了算法應(yīng)用難度。

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WUBin,born in 1977,MS,senior engineer,his research interest includes network management and scheduling.

馬繼濤(1974-),男,云南昆明人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)管理。E-mail:mjt@ynst.net.cn

MAJi-tao,born in 1974,MS,senior engineer,his research interest includes network management.

鄔平(1967-),男,云南昆明人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐浖こ?。E-mail:wuping@ynst.net.cn

WUPing,born in 1967,senior engineer,his research interest includes software engineering.

EliminatingredundantargumentsofREDbyfeatureanalysis

WU Bin，MA Ji-tao，WU Ping，TAN Peng

(Yunnan Academy of Scientific & Technical Information,Kunming 650051,China)

The RED algorithm is the basis of network congestion control.By using this algorithm, more than one parameter,such as queue average length,limit value of dropping packets,average size of packets,need to be loaded. What’s more,arguments’values are set without clear rules and the theoretical basis and unreasonable values weak the effect of the congestion control algorithm. The relationship of two system performance indicators of arrival rate of packets and the capability of data processing are analyzed by the way of feature analysis and build up a map relation between indicators and arguments of RED.Furthermore,excess parameters are combined and the ranges of values are confirmed by using the linear relation among parameters.The congestion control effect of the algorithm is improved in the network environment and increase the practicality of RED.

random early detection;characteristic equation;congestion control;liner mapping

1007-130X(2014)08-1519-05

2013-01-03;

：2013-03-26

TP393.072

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.08.016

吳斌(1977-),男，云南昆明人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)管理與調(diào)度。E-mail:star_amethyst@qq.com

通信地址：650051 云南省昆明市云南省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究院

Address:Yunnan Academy of Scientific & Technical Information,Kunming 650051,Yunan,P.R.China