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多尺度主动队列管理机制设计与分析

Design and Analysis of a Multiscale Active Queue Management Scheme

  • 摘要: 在当前的Internet中,TCP流量是网络流量的主要成分。在Internet中,TCP的拥塞控制机制是网络稳定工作的重要保证。传统的队列管理采用的尾丢弃(Tail Drop, TD)方法,这种方法具有“排外”(lock-out)和“满队”(full queue)两个缺点,因此IETF提出用主动队列管理(Active Queue Management, AQM)来解决上述问题。AQM算法在网络中间结点执行,它检测网络可能发生的拥塞并以隐式或显式的方法通知源结点,源结点调节其数据发送速度以响应网络结点的通告,从而避免严重拥塞的发生。尽管主动队列管理被认为是一种有效的拥塞控制/避免机制,但大多数的AQM机制在动态流量环境下性能将明显降低。近年来网络测量与统计分析得出最重要的结论是Internet的流量突发(traffic burstiness)具有多尺度缩放(multi-scaling)特性。流量突发的多尺度缩放特性包括两层含义:1)全局缩放性。突发行为具有自相似或尺度不变性(scale-invariant),即流量在不同的时间尺度上具有相似的突发特性;2)局部缩放性。流量过程的局部奇异性使流量在小时间尺度(数百ms及以下)的突发非常强烈,具有非高斯分布。突发的尺度不变性表明流量在大时间尺度(数百ms及以上)下同样会有突发,从而说明流量具有强的时间相关性,即长相关(Long-Range Dependence, LRD)。多尺度流量突发行为推翻了以前对网络流量到达过程的Poisson假设,从而使以前在电话网中得到有效应用的模型和结果面临新的考验。本文在理解通信流的多尺度突发行为基础上提出了一种新的主动队列管理机制,称为多尺度控制器(MSC)。和其它大多数AQM算法不同,MSC在两个时间尺度上结合了基于流速率和基于队列长度的控制方法。在大时间尺度基于流速率的控制决定了分组丢弃的强度,用于得到低且稳定的时延,良好的鲁棒性和响应性;在小时间尺度基于队列长度的分组丢弃概率调节可以减少分组丢失,提高链路利用率。本文还对TCP/MSC拥塞控制系统进行了流体建模和稳定性分析。大量的仿真实验结果表明MSC的性能优于很多别的AQM算法。

     

    Abstract: Since Internet is dominated by TCP-basedapplications, active queue management (AQM) is considered as aneffective way for congestion control. However, most AQM schemes sufferobvious performance degradation with dynamic traffic. Extensivemeasurements found that Internet traffic is extremely bursty andpossibly self-similar. We propose in this paper a new AQM scheme calledmultiscale controller (MSC) based on the understanding of trafficburstiness in multiple time scale. Different from most of other AQMschemes, MSC combines rate-based and queue-based control in two timescales. While the rate-based dropping on burst level (large timescales) determines the packet drop aggressiveness and is responsiblefor low and stable queuing delay, good robustness and responsiveness,the queue-based modulation of the packet drop probability on packetlevel (small time scales) will bring low loss and high throughput.Stability analysis is performed based on a fluid-flow model of theTCP/MSC congestion control system and simulation results show that MSCoutperforms many of the current AQM schemes.

     

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