一類網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)非線性動力學(xué)分析與設(shè)計.pdf

1、以TCP/IP為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)在過去的二十年中取得了巨大的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶數(shù)量都呈爆炸式的增長。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷深入，人類已經(jīng)進入了一個以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的信息時代。擁塞是一種無法完全避免的基本網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象，嚴(yán)重的擁塞會造成傳輸時延，傳輸速率和吞吐量等性能指標(biāo)的惡化。擁塞控制機制作為保證網(wǎng)絡(luò)高效運行和魯棒性的基礎(chǔ)一直是網(wǎng)絡(luò)研究的重要課題。擁塞控制算法根據(jù)實施的位置可以分成兩種：位于源端的傳輸控制協(xié)議(TransmissionControlPr

2、otocol，TCP)和位于路由器上的主動隊列管理算法(ActiveQueueManagement，AQM)。 從時間和空間上來說互聯(lián)網(wǎng)的擁塞控制系統(tǒng)都是非常復(fù)雜的，傳統(tǒng)的研究是基于隨機理論和排隊論來對系統(tǒng)進行建模與分析。近年的網(wǎng)絡(luò)實測和仿真數(shù)據(jù)研究表明，網(wǎng)絡(luò)中會出現(xiàn)自相似(分形)和混沌等復(fù)雜的確定性非線性現(xiàn)象，因此用非線性動力學(xué)來分析可以預(yù)期得到比傳統(tǒng)隨機理論和排隊論的分析更精確的結(jié)果。而且它可以更準(zhǔn)確地揭示網(wǎng)絡(luò)中非線性現(xiàn)象產(chǎn)

3、生的原因，這對于網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)的建模、控制以至大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的仿真都是非常關(guān)鍵的，具有十分重要的理論意義與應(yīng)用價值。本文的主要研究內(nèi)容也正是在TCP-AQM擁塞控制系統(tǒng)中尋找這些非線性現(xiàn)象，并從非線性動力學(xué)的角度對其進行分析和控制。 本文的主要內(nèi)容和成果總結(jié)如下：①我們通過混沌時間序列分析技術(shù)研究了一種源端運行TCP擁塞控制算法，路由器端運行隨機早期檢測(RandomEarlyDetection，RED)隊列管理算法的擁塞控制系統(tǒng)

4、。相空間重構(gòu)生成的吸引子和混沌不變量指標(biāo)的計算表明該系統(tǒng)在一定參數(shù)配置下會出現(xiàn)混沌現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，本文同時從常規(guī)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)(吞吐量、丟包率)和非線性動力學(xué)指標(biāo)(最大Lyapunov指數(shù)、Hurst系數(shù))這兩方面，比較了不同配置下TCP-RED和TCP-ARED(AdaptiveRED，自適應(yīng)隨機早期檢測)擁塞控制系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明ARED算法比RED算法有更好的性能。 ②研究了一種簡化的互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制系統(tǒng)離散模型的分叉與混沌行

5、為，通過選擇增益參數(shù)和源端數(shù)量作為分叉參數(shù)，證明了模型會出現(xiàn)倍周期分叉，并研究了分叉的穩(wěn)定性。在單源端單瓶頸鏈路的條件下，得出了Li-Yorke意義下的混沌出現(xiàn)的充分條件。研究還發(fā)現(xiàn)通過限制源端發(fā)送速率的幅值可以控制其混沌行為。 ③針對網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)中存在的分叉與混沌現(xiàn)象，本文將混沌控制中時延反饋方法引入擁塞控制算法中，設(shè)計并分析了3種改進的RED算法：基于時延狀態(tài)反饋的RED(RED-SDFC)、基于標(biāo)準(zhǔn)時延參數(shù)反饋的RED

6、(RED-DFC)和基于改進時延參數(shù)反饋的RED(RED-MDFC)。在TCP-RED擁塞控制系統(tǒng)離散模型的基礎(chǔ)上，通過對模型的穩(wěn)定性和分叉分析，以及不同配置下ns-2仿真研究的結(jié)果表明：改進的RED算法，特別是基于改進時延參數(shù)反饋的RED算法，能夠提高擁塞控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并具有更高的吞吐量和更低的丟包率。提出的這些改進RED算法可以方便的在商業(yè)路由器(如CISCO的路由器)上實施。 ④根據(jù)常規(guī)主動隊列管理算法缺乏控制參數(shù)自適