基于控制理論的主動(dòng)隊(duì)列管理的研究

1、基于控制理論的主動(dòng)隊(duì)列管理的研究          摘  要  本文運(yùn)用經(jīng)典控制理論對(duì)TCP擁塞控制機(jī)制建模，在此基礎(chǔ)上依次分析了PI控制器、PID控制器對(duì)主動(dòng)隊(duì)列進(jìn)行的管理技術(shù)，并對(duì)兩者進(jìn)行了比較。最后研究分析了智能控制理論在主動(dòng)隊(duì)列管理中的應(yīng)用技術(shù)，并引入了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，介紹了兩者在主動(dòng)隊(duì)列管理中的具體應(yīng)用。   關(guān)鍵詞  主動(dòng)隊(duì)列管理；PID；模糊理論；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1  引言   由于Internet數(shù)據(jù)本質(zhì)上是突發(fā)的

2、，因此允許傳輸突發(fā)的數(shù)據(jù)非常必要，而路由器中隊(duì)列的重要作用就是吸收突發(fā)的數(shù)據(jù)包。較大的隊(duì)列能夠吸收在隨機(jī)早期檢測(cè)(RED)算法中，當(dāng)分組到來時(shí)，主要按照以下處理方式來進(jìn)行：   (1)若平均隊(duì)列長度小于最小閾值minth，則分組進(jìn)入隊(duì)列排隊(duì)。   (2)若平均隊(duì)列長度位于minth和maxth之間，則以概率P丟棄到來的包。   (3)若平均隊(duì)列大于最大閾值maxth，則丟棄到來的所有包。   從控制論的角度分析，RED算法等價(jià)于比例控制器加上低通濾波(LPF)。低通濾波的存在降低了網(wǎng)絡(luò)對(duì)擁塞的快速響應(yīng)能力。而參數(shù)的

3、選擇必須要考慮隊(duì)列的穩(wěn)定裕度和快速性的折衷。比例控制器的缺點(diǎn)是存在“穩(wěn)態(tài)誤差”，穩(wěn)態(tài)誤差的大小依賴于網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境，這是平均隊(duì)列隨網(wǎng)絡(luò)流量增長的主要原因。有時(shí)可能出現(xiàn)誤差超過緩沖的大小，從而引起振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。   Misra等人基于流體流理論建立了AQM作用下的TCP連接上擁塞窗口的動(dòng)態(tài)模型，它可以用下面的一組非線性微分方程來描述：   其中，W為期望的擁塞窗口，q為期望的隊(duì)列長度，R為返回時(shí)間，C為鏈路帶寬，p為丟包率，N為TCP的連接數(shù)。將該數(shù)學(xué)模型在平衡點(diǎn)附近線性化，得到擁塞控制系統(tǒng)的方塊圖，如圖1所示。圖1  TCP/AQM系統(tǒng) 

4、;  基于上面的TCP/AQM控制理論模型，Hollot進(jìn)行了合理的線性化處理，提出了用比例控制器和積分控制器來產(chǎn)生反饋控制系統(tǒng)(如圖2所示)。積分(I)控制器有一個(gè)很重要的屬性：能夠使穩(wěn)態(tài)誤差為0。如果在AQM中引入積分控制器，就可以解除隊(duì)列長度和丟棄概率之間的直接耦合，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。圖2   AQM控制系統(tǒng)(PI)   PI控制器建立在TCP流量模型基礎(chǔ)上，與RED相比性能大大提高，能夠?qū)㈥?duì)列長度控制在預(yù)期的范圍內(nèi)，同時(shí)保持良好的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能。但是在緩沖區(qū)較小或者路由器上負(fù)載較大時(shí)，隊(duì)列需要較長時(shí)間才能收斂到期望值附近。在AQM算法中

5、使用PI控制器雖然可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但同時(shí)也會(huì)減慢系統(tǒng)的反應(yīng)速度。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的流量發(fā)生很大變化時(shí)，PI控制器需要的收斂時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于比例控制器。2.2   PID控制器   為了解決PI控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間過長，對(duì)路由器緩存大小的依賴性過強(qiáng)的問題，又引入了微分環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)用于主動(dòng)隊(duì)列管理的PID控制器(如圖3所示)，可以縮短控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間，使隊(duì)列盡快趨于期望值附近，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。圖3  模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖   PID控制器是一種線性控制器，其控制規(guī)律為：   或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式：  

6、; K：比例環(huán)節(jié)(P)，Kp為比例系數(shù)   1/Tls ：積分環(huán)節(jié)(I)，Tl為積分時(shí)間常數(shù)   TDs：微分環(huán)節(jié)(D)，TD為微分時(shí)間常數(shù)   當(dāng)?shù)玫奖豢刂茀?shù)的誤差信號(hào)后，比例環(huán)節(jié)可以將這種誤差信號(hào)成比例地放大，并產(chǎn)生控制輸出作用，以減少系統(tǒng)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度。其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有增益的放大器，它只改變信號(hào)的增益而不影響其相位。積分環(huán)節(jié)具有將小的誤差信號(hào)積累輸出的功能，因而它能夠消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)的型別，有利于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的提高。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，積分常數(shù)越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)能反應(yīng)輸

7、入信號(hào)的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.3  PI控制器與PID控制器的比較   (1)主動(dòng)隊(duì)列管理不僅關(guān)心如何保持高鏈路利用率，而且還要控制分組在路由器隊(duì)列中的排隊(duì)時(shí)間，PID控制器可以迅速地將隊(duì)列長度調(diào)節(jié)到期望值附近，保證以上兩個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，但PI控制器卻要花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間。            (2)隊(duì)列的波動(dòng)必然導(dǎo)致排隊(duì)時(shí)延的抖動(dòng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PID控制的隊(duì)列對(duì)負(fù)載變化的敏感程度沒有PI那么強(qiáng)，可以很快地將隊(duì)列

8、調(diào)節(jié)到期望值附近。   (3)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中響應(yīng)流和非響應(yīng)流共存的情況，PID控制器的反應(yīng)速度仍然比PI控制器快，同時(shí)其平均隊(duì)列長度也要短些，從而減少了延遲時(shí)間。3  智能控制理論在AQM中的應(yīng)用研究   經(jīng)典控制理論對(duì)問題的解決在很大程度上依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型精度，但要得到實(shí)際對(duì)象的精確模型較難，往往需要許多假設(shè)和限制。智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，它主要解決經(jīng)典控制理論難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，研究對(duì)象是不確定的模型，呈高度的非線性，任務(wù)復(fù)雜。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制作為智能控制的兩大分支，今年來在網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中得到了廣泛的應(yīng)用。3.

9、1  模糊控制在AQM中的應(yīng)用   在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，AQM算法存在不穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)參數(shù)的變化很敏感，而AQM算法所依據(jù)的模型也是忽略了許多因素后得到的，與實(shí)際系統(tǒng)有較大的距離。對(duì)此類復(fù)雜、時(shí)變、不確定性的網(wǎng)絡(luò)，模糊控制則能解決這一問題。模糊控制系統(tǒng)采用如圖4所示的結(jié)構(gòu)，其中輸入變量為隊(duì)列長度和隊(duì)列長度的變化率，輸出變量為丟包率。圖4  基于模糊控制的主動(dòng)隊(duì)列管理系統(tǒng)   1)模糊理論用于隊(duì)列長度管理   Chrysostomou等人提出了一種基于TCP/IP best-effort網(wǎng)絡(luò)的AQM新方案Fuzzy Exp

10、licit Marking (FEM)。該方法通過預(yù)先設(shè)定一個(gè)目標(biāo)隊(duì)列長度(TQL)來調(diào)節(jié)IP路由器中的隊(duì)列長度，同時(shí)獲得較高的網(wǎng)絡(luò)利用率和較低的平均延時(shí)。   2)模糊理論用于不同連接的處理   參考文獻(xiàn)提出的算法是根據(jù)緩沖隊(duì)列長度大小，采用模糊理論得出丟包概率。該模糊算法采用局部擁塞控制和全局擁塞控制相結(jié)合的策略對(duì)隊(duì)列的丟包進(jìn)行控制。這種方法解決了RED算法不在擁塞狀態(tài)的連接也可能出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，使得路由器能夠在發(fā)生擁塞時(shí)智能地分清各連接的狀態(tài)，并能正確處理處于擁塞狀態(tài)的數(shù)據(jù)包，保護(hù)和隔離非擁塞狀態(tài)的TCP連接，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)利用率。  

11、; 參考文獻(xiàn)是基于加權(quán)公平隊(duì)列(WFQ)原理提出的模糊控制算法，能夠根據(jù)各連接的權(quán)值分配相應(yīng)的隊(duì)列長度和帶寬。同時(shí)，當(dāng)局部擁塞時(shí)可部分增加某隊(duì)列長度，使隊(duì)列推出擁塞狀態(tài)，以免在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，長隊(duì)列流過早受到阻塞。   3)模糊理論用于丟包方法的處理    現(xiàn)有的AQM算法基本都沿用了RED的概率丟棄機(jī)制。但分組概率丟棄機(jī)制中隨機(jī)數(shù)的生成需要大的計(jì)算開銷，不利于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能。參考文獻(xiàn)提出一種利用模糊邏輯決定是否丟包的方法，以進(jìn)一步優(yōu)化路由器的傳輸性能。同時(shí)，又定義了擁塞指數(shù)這個(gè)新的測(cè)量變量來量化描述網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，利用模糊邏輯設(shè)計(jì)了一種智

12、能分組丟棄機(jī)制。離線的合成推理使得分組丟棄判定僅需要簡單查表和比較運(yùn)算即可完成。3.2  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在AQM中的應(yīng)用   人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近十幾年迅速發(fā)展起來的一門新興的交叉學(xué)科，并在控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)在于：能充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系；能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)不確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性；采用信息的分布式并行處理，可以快速大量運(yùn)算。因此，對(duì)于非線性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)來說，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無疑是一種解決問題的有效途徑。   考慮到對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行建模的復(fù)雜性，可以嘗試在主動(dòng)隊(duì)列管理中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具

13、有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和適應(yīng)能力，比較適用于那些具有不確定性或高度非線性的控制對(duì)象，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的隊(duì)列管理特性進(jìn)行概括和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)丟棄概率，達(dá)到避免和解除網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的。當(dāng)然，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊系統(tǒng)綜合運(yùn)用有助于解決這一問題。運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要解決的是計(jì)算延時(shí)、學(xué)習(xí)速率、網(wǎng)絡(luò)本身復(fù)雜性等問題。   參考文獻(xiàn)提出將傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單位單神經(jīng)元結(jié)合起來，解決主動(dòng)隊(duì)列管理的控制問題，克服傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器不易在線實(shí)時(shí)整定參數(shù)，難于對(duì)負(fù)載波動(dòng)和緩慢變化進(jìn)行有效控制的不足。   文獻(xiàn)10引入了再激勵(lì)學(xué)習(xí)，它可以在沒有指導(dǎo)的情況下，從環(huán)境探索中

14、獲得經(jīng)驗(yàn)，自主的改進(jìn)系統(tǒng)性能，使強(qiáng)化信號(hào)值最大，具有自學(xué)的能力。將其與主動(dòng)隊(duì)列管理機(jī)制相結(jié)合，可以發(fā)掘出更新穎而高效的AQM機(jī)制，以便降低數(shù)據(jù)包的丟棄機(jī)制中隨機(jī)數(shù)生成的計(jì)算開銷，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。4  小結(jié)   路由器主動(dòng)隊(duì)列管理機(jī)制是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的重要組成部分，是互聯(lián)網(wǎng)的重要研究課題之一。本文研究的目的主要是將控制理論應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中的“主動(dòng)隊(duì)列管理”，利用控制理論指導(dǎo)AQM算法的設(shè)計(jì)，從而減少網(wǎng)絡(luò)延遲，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。參考文獻(xiàn)1徐昌彪，鮮永菊.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重的擁塞控制與流量分析M.河北：人民郵電出版社，2007HOLLOT C V，MISRA V，TOWS

15、LEY D，et al.On designing improved controllers for AQM routers supporting TCP flowsA.Proc of IEEE INFOCOMO1C.2001Fan Y F， Ren F Y， Lin C .Design a PID controller for active queue management . In：Proc.of the 8th IEEE Int1 Symp(ISCC 2003).2003 Chrysostomou C， Pitsillides A. A Fuzzy Logic Congestion in TCP/IP Best-Effort Networks. In：Proceedings of the Australian Telecommunication Networks and Application Conference， Melbourne，Australia，2003馮憲林，龍騰飛.一種基于