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        改進ARED擁塞控制算法研究與實現(xiàn)

        2017-12-02 01:22:44薛禮陳利
        軟件導(dǎo)刊 2017年11期

        薛禮 陳利

        摘要:為實現(xiàn)基于路由器的擁塞控制算法性能提升,分析了RED與ARED擁塞控制算法,并提出一種改進算法QARED。與傳統(tǒng)DropTail算法對比,RED算法具有較高鏈路利用率、吞吐量及較低網(wǎng)絡(luò)延遲、丟包率等優(yōu)點,但存在參數(shù)配置無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)改變的缺點。ARED算法增加了自適應(yīng)功能,根據(jù)平均隊列長度變化動態(tài)調(diào)整最大丟包概率,穩(wěn)定平均隊列長度在最小閾值與最大閾值之間,但存在瞬時隊列長度振蕩等穩(wěn)定性問題。改進算法QARED,通過優(yōu)化最大丟包概率計算函數(shù),以提高平均隊列長度穩(wěn)定性、降低丟包率、提高吞吐量。通過NS2仿真網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對比,改進算法QARED相對ARED算法在控制平均隊列長度上更具穩(wěn)定性,能夠?qū)崿F(xiàn)更低網(wǎng)絡(luò)延遲與丟包率,提高了動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下?lián)砣刂品€(wěn)定性。

        關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:擁塞控制;ARED;NS2網(wǎng)絡(luò)模擬

        DOIDOI:10.11907/rjdk.171861

        中圖分類號:TP312

        文獻標(biāo)識碼:A文章編號文章編號:16727800(2017)011004103

        0引言

        隨著互聯(lián)網(wǎng)流量增多,網(wǎng)絡(luò)擁塞日趨嚴重。網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞,會帶來延時增大、丟包、重發(fā)增多、吞吐量減少等問題,嚴重時還會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此網(wǎng)絡(luò)擁塞控制成為傳輸層協(xié)議實現(xiàn)的重要功能,在TCP協(xié)議Tahoe、Reno等版本中包含了慢啟動、擁塞避免、快速重傳、快速恢復(fù)算法以及改進算法。通過端系統(tǒng)擁塞控制機制能夠很好地保證網(wǎng)絡(luò)可靠性與穩(wěn)定性,改善服務(wù)質(zhì)量QoS。近年來,擁塞控制機制在路由器中也開始實施,擁塞控制策略研究主要集中于主動隊列管理AQM算法[1]。AQM算法一個代表是隨機早期丟棄RED,相比傳統(tǒng)隊尾丟棄Droptail具有較高鏈路利用率、吞吐量與較低網(wǎng)絡(luò)延遲、丟包率等優(yōu)點,IETF推薦其作為唯一候選算法,在目前結(jié)點擁塞控制中起到了重要作用[2]。

        1算法原理

        1.1RED算法思想

        RED算法中,路由器通過監(jiān)測平均隊列長度探測擁塞,在擁塞可能出現(xiàn)的時候,按一定概率隨機丟棄某些分組,通知發(fā)送端降低數(shù)據(jù)發(fā)送速率,維持合適隊列長度,降低網(wǎng)絡(luò)延遲,緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞[3]。RED算法中對瞬時隊列長度Lsa采用指數(shù)加權(quán)計算平均隊列長度Lav,權(quán)值Wq介于0~1之間,如式(1)所示:

        Lav=(1-Wq )×Lav+Wq×Lsa(1)

        對比平均隊列長度與事先設(shè)置的隊列最小閾值THmin、最大閥值THmax,判斷網(wǎng)絡(luò)擁塞程度,決定分組丟棄概率。具體標(biāo)準(zhǔn)是若LavTHmax,則丟棄概率為1,分組被丟棄;若THmin≤Lav≤THmax,則計算出丟棄概率P,并以此概率丟棄分組。其中P的計算會利用事先選用的最大丟棄概率Pmax以及計算函數(shù)(例如采用線性增長從0變到Pmax),count代表上一次丟包后新進入隊列的包數(shù)量。

        Pb=Pmax×Lav-THminTHmax-THmin(2)

        P=Pb1-count×Pb(3)

        從式(2)、式(3)可以看出,丟棄概率P不僅與平均隊列長度Lav有關(guān),還隨著隊列中不被丟棄數(shù)據(jù)包數(shù)目增多而增大,這樣可使數(shù)據(jù)包丟棄間隔相對均勻,避免數(shù)據(jù)包丟棄過于集中,造成全局同步現(xiàn)象[4]。RED算法缺點在于參數(shù)設(shè)定,一組固定參數(shù)值無法滿足網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化需求[5]。

        1.2ARED算法思想

        研究者針對RED算法提出了改進方案,其中ARED算法是通過檢查平均隊列長度變化來動態(tài)調(diào)節(jié)最大丟棄概率Pmax,如果平均隊列長度是在THmin附近波動,那么擁塞控制就太積極,應(yīng)減小Pmax值;如果在THmax附近波動,那么擁塞控制就太保守,應(yīng)增大Pmax值。動態(tài)調(diào)整Pmax算法如下:

        every interval time

        if (Lav>target && Pmax≤0. 5)

        Pmax=Pmax+α;

        else if (Lav

        Pmax=Pmax*β;

        其中interval time為調(diào)整丟棄概率時間間隔,一般取0.5s;target表示平均隊列理想?yún)^(qū)間范圍[THmin+0.4*(THmax-THmin) , THmin+0.6*(THmax-THmin)];α、β分別表示Pmax增大及減小因子,α=min(0.01,Pmax/4),β= 0.9。

        1.32種算法對比

        利用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件NS2構(gòu)建仿真環(huán)境,網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

        仿真環(huán)境中路由器r1與r2之間為瓶頸鏈路,帶寬45Mbps,延遲20ms,隊列算法分別采用RED與ARED。s1到sn為源端,d1到dn為目的端,分別與r1、r2相連的鏈路帶寬為100Mbps,延遲1ms。sn與dn依次對應(yīng)建立TCP連接,使用FTP數(shù)據(jù)流。算法參數(shù)設(shè)置為Wq=0.002,Pmax=0.1,interval=0.1,THmin=50packets,THmax=150packets,Buffersize=200packets。圖2與圖3是構(gòu)建80個連接,運行100s模擬時間,分別跟蹤RED與ARED算法的平均隊列長度[6]。通過比較可以發(fā)現(xiàn)ARED算法平均隊列長度穩(wěn)定性優(yōu)于RED算法。

        2ARED算法改進及對比

        2.1QARED算法思想

        ARED算法改進了Pmax的動態(tài)調(diào)整,但計算過程又引入了3個參數(shù)interval、α、β,同樣存在參數(shù)設(shè)置問題,不同設(shè)置會影響Pmax調(diào)整效果[7]。因此本文提出一種改進的QARED算法,通過修改丟棄概率計算來鞏固平均隊列長度穩(wěn)定性[8]。

        式(2)中,Pb的計算采用線性函數(shù),而改進算法采用二次方函數(shù)計算,如式(4)所示,它們的函數(shù)曲線見圖4。由圖4可知,平均隊列長度接近THmin值時,丟棄概率變化相對緩慢,而超過0.5*(THmin+THmax)之后,變化加快,就能夠在平均隊列較短時降低包的丟棄概率;接近最大門限值時加大丟包概率,平均隊列長度維持在合適值,可保證穩(wěn)定性。

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