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計算機網(wǎng)絡擁塞的高效控制方法
計算機網(wǎng)絡擁塞的高效控制方法【1】
摘要：計算機網(wǎng)絡擁塞會造成數(shù)據(jù)丟失、網(wǎng)絡資源分配率低、吞吐率減小等問題，嚴重影響計算機網(wǎng)絡服務質(zhì)量。
傳統(tǒng)TCP擁塞控制機制無法滿足飛速發(fā)展的計算機網(wǎng)絡，本文以傳輸控制層網(wǎng)絡擁塞機制為基礎，配制網(wǎng)絡資源隊列管理策略對傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡擁塞控制機制進行了改進，仿真實驗表明，改進之后的控制機制能夠有效解決網(wǎng)絡擁塞問題，還提高了其服務質(zhì)量。
關鍵詞：網(wǎng)絡擁塞控制方法隊列管理
隨著信息時代的到來，計算機網(wǎng)絡開始在社會上普及，迎來了一個飛速發(fā)展的時代。
廣泛應用的計算機網(wǎng)絡極大的豐富了人們的生活，正逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠�，并被應用到軍事、文化等諸多領域。
尤其是最近幾年，我國的網(wǎng)民數(shù)量呈級數(shù)增長，不斷激增的數(shù)量直接導致了計算機網(wǎng)絡規(guī)模的急劇碰撞。
但是計算機網(wǎng)絡的資源容量并沒有伴隨著網(wǎng)民數(shù)量的增加而增加，或者說其速度遠遠達不到網(wǎng)民增加的速度，這就導致了計算機網(wǎng)絡的擁塞問題。
一旦發(fā)生擁塞，計算機網(wǎng)絡的性能就會大幅下降，甚至導致網(wǎng)絡崩潰。
其造成的數(shù)據(jù)延時、性能下降、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包丟失等問題，已經(jīng)成為計算機網(wǎng)絡發(fā)展的關鍵性難題，并嚴重影響著計算機網(wǎng)絡服務質(zhì)量的高低。
所以如何高效控制計算機網(wǎng)絡擁塞問題，已經(jīng)成為當下的熱點問題。
數(shù)據(jù)能否準確傳輸，資源分配是否合理，都影響著計算機網(wǎng)絡的服務質(zhì)量。
傳統(tǒng)TCP擁塞控制機制只是單向的盡力而為理念，往往在訪問激增的時候造成數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)傳輸不準確，資源分配不合理等問題。
為了解決這個問題，本文提出了一種改進之后的計算機網(wǎng)絡擁塞控制方法。
這是一種基于TCP層網(wǎng)絡擁塞機制，配制IP層資源隊列管理模式的一種新型擁塞控制方法。
在解決計算機網(wǎng)絡擁塞的同時，也能夠保證計算機網(wǎng)絡的服務質(zhì)量，是一種高效計算機網(wǎng)絡擁塞控制方法。
1 擁塞控制相關理論概述
為什么會發(fā)生網(wǎng)絡擁塞呢?主要是因為計算機網(wǎng)絡中需要傳輸處理的數(shù)據(jù)分組數(shù)量，已經(jīng)接近其處理數(shù)據(jù)的能力極限，從而導致用戶的通信請求被延遲或者丟失，降低了計算機網(wǎng)絡的服務質(zhì)量。
基于這個問題我們首先應該看到的是，計算機用戶的數(shù)量和其傳遞的數(shù)據(jù)資源數(shù)量，是無法控制的，所以之所以會發(fā)生計算機擁塞現(xiàn)象，本質(zhì)上還是網(wǎng)絡無法適應用戶超載的要求，一旦用戶的請求超過了其處理能力和資源容量，就會產(chǎn)生網(wǎng)絡擁塞現(xiàn)象。
詳細總結(jié)起來，計算機網(wǎng)絡擁塞的原因有兩個。
第一，計算機網(wǎng)絡的資源分布極度不均。
每一個處于計算機網(wǎng)絡中的傳輸節(jié)點，都有著各自的傳輸能力，而它們的能力是不一樣的。
也許上一個節(jié)點傳遞過來的數(shù)據(jù)速率，經(jīng)由下一個節(jié)點傳遞下去的時候，會因為傳輸能力的不同而消弱很多，造成計算機網(wǎng)絡擁塞。
第二，計算機網(wǎng)絡中的節(jié)點流量分布不均。
每一個網(wǎng)絡節(jié)點都是和其他的節(jié)點相連的，當同時有多個數(shù)據(jù)從多個節(jié)點向一個節(jié)點傳來的時候，就可能因為節(jié)點的資源容量有效，而出現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞現(xiàn)象。
由以上我們可以得出這樣一個結(jié)論：處理好網(wǎng)絡擁塞問題的關鍵在于協(xié)調(diào)好網(wǎng)絡負載、吞吐量和響應時間之間的關系。
避免數(shù)據(jù)同時傳遞，可以進行優(yōu)化設計，使計算機網(wǎng)絡始終處在高速運行狀態(tài)。
如此看來，傳統(tǒng)的TCP擁塞控制機制就無法滿足我們的設想了，因為該機制奉行盡力而為的理念，并不是一定傳輸。
如果在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候發(fā)生擁塞現(xiàn)象，那么該機制可能就會因為不能替很多數(shù)據(jù)找到路徑而丟棄他們，這就是所謂的數(shù)據(jù)丟失。
傳統(tǒng)擁塞控制機制具有較高的數(shù)據(jù)丟失率，而且因為丟棄數(shù)據(jù)包，也會降低網(wǎng)絡的吞吐量，而吞吐量和網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸效率是正比的關系。
由此可以看出傳統(tǒng)控制方法很難控制數(shù)據(jù)丟失和傳輸分配的效率，導致計算機網(wǎng)絡服務質(zhì)量下降。
基于此我們提出了以傳輸控制層網(wǎng)絡擁塞機制為基礎，配制網(wǎng)絡資源隊列管理模式的一種新型擁塞控制方法。
2 改進的計算機網(wǎng)絡擁塞高效控制機制
傳統(tǒng)TCP層擁塞控制機制雖然能夠在一定程度上解決計算機網(wǎng)絡擁塞問題，但是由于秉承的是“盡力而為”的機制，常常會在網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大的現(xiàn)在出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，網(wǎng)絡資源難以訪問等難題。
通過傳輸控制層網(wǎng)絡擁塞機制聯(lián)系網(wǎng)絡資源隊列管理模式，改進擁塞控制機制，提高計算機網(wǎng)絡的服務質(zhì)量。
前面已經(jīng)對傳輸控制層擁塞控制機制進行了簡單的理論介紹，下面對網(wǎng)絡層的資源隊列管理模式進行簡單的論述。
2.1 先進先出原則的建立
先進先出原則又叫先到先服務原則，簡單的說就是第一個到達的數(shù)據(jù)進行優(yōu)先服務。
網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包一般是經(jīng)由發(fā)送端發(fā)出，通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，然后到達路由器之后進行數(shù)據(jù)儲存服務，該服務服從先到先服務的原則。
但是要注意的是路由器的儲存空間畢竟是有限的，如果接受的數(shù)據(jù)包過多，堆積滿緩存空間之后，之后傳輸過來的數(shù)據(jù)就會丟失。
2.2 網(wǎng)絡資源隊列管理策略
構(gòu)建了先到先服務原則之后，接下來應該對網(wǎng)絡資源的隊列策略進行規(guī)定。
一般可以分為公平排隊和在其基礎上建立起來的加權(quán)公平排隊。
基于先進先出原則，對最先到達并且存儲在緩存空間中的數(shù)據(jù)包展開服務，隨后就是利用加權(quán)公平排隊的調(diào)控器循環(huán)服務于各項數(shù)據(jù)包，并一直重復這種服務，直到循環(huán)停止。
能夠在一定的時間之內(nèi)，收到符合要求數(shù)量的服務是加權(quán)公平排隊最大的優(yōu)點。
也就是說在其控制下，保證在一定的時間之內(nèi)，分配權(quán)值的某個類能夠得到符合要求數(shù)量的服務。
包括網(wǎng)絡吞吐量等都可以用其來控制。
另一個關鍵的控制是對于平均隊列長度和數(shù)據(jù)丟失率的監(jiān)控。
相關研究表明，對一個傳遞過來的數(shù)據(jù)包進行處理的時候，對處于隊列中的數(shù)據(jù)進行長度監(jiān)控，觀測其長度和設定的判別閾值的大小關系。
如果隊列長度小于設立的最小判定閾值，那么對其直接放進隊伍，進行傳輸服務;如果是處于最小閾值和最大閾值之間，則需要監(jiān)控計算該數(shù)據(jù)包的丟失率，隨后依據(jù)計算得來的丟失率判斷是否對該數(shù)據(jù)進行丟棄處理。
如果隊列長度大于設立的最大閾值，那么應該直接將數(shù)據(jù)丟棄，不進行數(shù)據(jù)傳輸。
這樣一來，依靠只能判斷，就高效地完成了計算機網(wǎng)絡擁塞的控制。
3 計算機網(wǎng)絡擁塞高效控制機制的評價
完成了擁塞控制方法的設計之后，需要對設計的機制進行評價。
依照評價計算機服務質(zhì)量的指標：吞吐率、數(shù)據(jù)包丟失率、時間延遲等，但是因為計算機一旦出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，將會影響整個網(wǎng)絡的有效運行，所以應該選取能夠反映整個網(wǎng)絡性能的量，常用的就是數(shù)據(jù)丟失率以及網(wǎng)絡資源的分配效率。
前者表征了擁塞控制機制保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息完整傳輸?shù)哪芰Γ瑥淖罨镜臄?shù)據(jù)信息層面上保證了網(wǎng)絡的健康。
而后者表征建立的高效擁塞控制機制在解決了一些問題之后，優(yōu)化網(wǎng)絡的能力大小。
兩者都可以通過相關的公式計算出來。
評價應設立一個調(diào)節(jié)系數(shù)，如果重視的是網(wǎng)絡的吞吐率，則調(diào)節(jié)系數(shù)要大于1，如果重視的是響應時間的控制，調(diào)節(jié)系數(shù)要小于1。
通過相關仿真實驗可以看出，新的擁塞控制機制丟包率僅為8%，遠遠低于傳統(tǒng)機制的37%，無論是響應時間還是網(wǎng)絡資源的分配效率，都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)控制機制。
綜上所述，改進之后的擁塞控制機制以傳輸控制層網(wǎng)絡擁塞機制為基礎，配制網(wǎng)絡資源隊列管理策略，能夠很好的解決網(wǎng)絡擁塞問題。
根據(jù)仿真實驗可以看出，改進之后的各項評價指標都優(yōu)于傳統(tǒng)機制，不僅解決了計算機網(wǎng)絡擁塞問題，還提高了其服務質(zhì)量。
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對TCP/IP計算機網(wǎng)絡擁塞控制的研究【2】
摘 要： 為提升計算機的網(wǎng)絡性能，更好地避免擁塞現(xiàn)象的發(fā)生，需要對其進行必要的技術(shù)控制。
鑒于此，對基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡擁塞控制方法進行分析。
在TCP擁塞控制中主要采用TCP Tahoe，TCP Reno，TCP New Reno以及TCP Sack四種方法，其中TCP New Reno對快速恢復算法進行了改進，通過對TCP協(xié)議中的Reno進行可視化處理，實行對網(wǎng)絡擁塞的有效管理。
而IP擁塞控制方法則分為FIFO，F(xiàn)Q和WFQ，RED以及ECN四種類型，通過隊列調(diào)度管理方式實現(xiàn)了對網(wǎng)絡擁塞的有效管理。
關鍵詞： 網(wǎng)絡擁塞; 優(yōu)化技術(shù); 控制技術(shù); TCP/IP協(xié)議
0 引 言
網(wǎng)絡存儲空間、帶寬容量、處理器自身性能以及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不合理等都有可能造成網(wǎng)絡擁塞的現(xiàn)象發(fā)生，具體表現(xiàn)為數(shù)據(jù)信息包接收延誤、丟棄概率增加、上層應用系統(tǒng)的性能降低等。
現(xiàn)階段，TCP/IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)采用的主要數(shù)據(jù)流，因此，目前對網(wǎng)絡擁塞控制的研究主要集中在互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議上。
現(xiàn)在比較典型的網(wǎng)絡擁塞控制機制是應用于互聯(lián)網(wǎng)設備、基于TCP的擁塞控制方法和用于端系統(tǒng)以及基于IP的擁塞控制方法。
本文主要闡述了TCP擁塞控制和IP擁塞控制的幾種常見算法，通過對比分析指出這些算法的優(yōu)缺點，并對這些網(wǎng)絡擁塞控制算法進行優(yōu)化升級。
1 網(wǎng)絡擁塞的原因分析
網(wǎng)絡擁塞主要是指用戶對網(wǎng)絡資源的需求量超過了現(xiàn)有的容量，從而造成過載狀態(tài)。
因為在互聯(lián)網(wǎng)絡中，勢必會在某一些通信子網(wǎng)中存在較多的分組，這樣就會降低網(wǎng)絡的通信性能，也就是網(wǎng)絡擁塞現(xiàn)象。
當計算機傳輸?shù)酵ㄐ抛泳W(wǎng)中的分組數(shù)量在標準容量范圍內(nèi)，這些數(shù)據(jù)信息將會全部送達目的地，而且送到的數(shù)量與發(fā)送的數(shù)量成比例。
但是，一旦網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量急劇增加，造成路由器癱瘓，就會出現(xiàn)分組丟失，并且會導致情況持續(xù)惡化。
在網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)量不斷增加的同時，擁塞范圍也會持續(xù)擴張，以至于幾乎沒有分組能夠送達。
造成網(wǎng)絡擁塞的原因主要有以下幾個方面：
1.1 存儲空間限制
網(wǎng)絡信息的傳輸端口都有一定的存儲空間，如果輸入數(shù)據(jù)流增多，就需要暫時保留在存儲空間內(nèi)等待輸出。
此時如果端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率低于數(shù)據(jù)包的到達速率，存儲空間就會由于傳送不及時而被占滿，此時后面到達的數(shù)據(jù)包就會被丟棄。
雖然可以通過增加存儲空間緩解輸出端口的壓力，但是伴隨著存儲空間的無線增加會造成數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)過程中雖然已經(jīng)超時，但是源端仍然會因這些數(shù)據(jù)包在傳輸過程中被丟棄而要求重發(fā)，這樣不僅嚴重降低了互聯(lián)網(wǎng)的工作效率，而且還會使網(wǎng)絡擁塞現(xiàn)象更加嚴重。
1.2 帶寬容量的限制
根據(jù)香農(nóng)理論，信息源的發(fā)送速率必須小于或者等于信息通道的容量，此時網(wǎng)絡才能正常運行。
但是如果網(wǎng)絡帶寬容量無法滿足高速數(shù)據(jù)流的輸入，即源端帶寬大于鏈路帶寬時，會造成數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡節(jié)點中積壓，形成網(wǎng)絡擁塞。
1.3 處理器性能的局限性
處理器性能無法滿足高速鏈路的需求，影響其工作效率，從而造成網(wǎng)絡擁塞。
除此以外，在互聯(lián)網(wǎng)中由于網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的不合理等原因也會造成網(wǎng)絡擁塞現(xiàn)象。
網(wǎng)絡擁塞過程如圖1所示。
圖1 網(wǎng)絡擁塞過程圖
2 TCP/IP網(wǎng)絡擁塞控制研究
控制網(wǎng)絡擁塞是一項系統(tǒng)工程，僅僅從某一方面入手無法有效地控制網(wǎng)絡擁塞，有時甚至會加重擁塞，因此必須把網(wǎng)絡擁塞當作是一個復雜的系統(tǒng)進行深入研究。
從控制論的角度出發(fā)，可以將網(wǎng)絡擁塞的控制當作一個反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要輸入網(wǎng)絡擁塞的各種信息，而輸出的則是端系統(tǒng)對發(fā)包速率的調(diào)整，此時端系統(tǒng)的發(fā)包速率影響著網(wǎng)絡擁塞的程度。
下面主要從TCP和IP兩個方面分析網(wǎng)絡擁塞控制的算法研究。
2.1 TCP擁塞控制方法
傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protcol，TCP)是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。
該協(xié)議主要是為廣域網(wǎng)設計，提供可靠的數(shù)據(jù)流服務，通過帶重傳的肯定確認技術(shù)實現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
因此 對于TCP的擁塞控制一直都是網(wǎng)絡擁塞研究的重點內(nèi)容。
傳統(tǒng)的TCP網(wǎng)絡擁塞控制方法主要是基于Van Jacobson提出的 “擁塞避免”算法、“慢啟法”算法以及一個用于估計周轉(zhuǎn)RTT的算法等。
可以說這些算法為后期TCP網(wǎng)絡擁塞控制的進一步研究提供了理論基礎，以至于后期的TCP網(wǎng)絡擁塞控制研究都是在這些算法上進行的升級和改進。
目前主要有TCP Tahoe，TCP Reno，TCP New Reno以及TCP Sack四種類型。
TCP Tahoe分為加性增和乘性減、慢啟動以及快速重傳三個部分。
加性增和乘性減主要是通過對擁塞窗口值增加或者減少的方式實現(xiàn)對網(wǎng)絡擁塞的控制;而慢啟動則是在數(shù)據(jù)發(fā)送的初始化階段對數(shù)據(jù)包進行慢速率的發(fā)送，但以指數(shù)的速度快速增加其發(fā)送速率來避免初始化階段由于發(fā)送窗口過小造成的帶寬浪費;而快速重傳則主要針對丟失包，在不必等到重傳超時的情況下就可以立即發(fā)送。
TCP Reno可以說是TCP Tahoe的升級優(yōu)化，與TCP Tahoe相比TCP Reno擁有快速恢復功能，可以將擁塞窗口減半從而進入擁塞避免階段;TCP New Reno則更加避免了TCP Reno在快速恢復階段出現(xiàn)的重傳超時，更好地提升網(wǎng)絡性能;TCP Sack是在檢測到網(wǎng)絡擁塞的丟失包后，對這些數(shù)據(jù)進行選擇確認后有選擇性的重傳。
TCP網(wǎng)絡擁塞控制方法比較見表1。
表1 TCP網(wǎng)絡擁塞控制方法
[類型\&優(yōu)點\&缺點\&TCP Tahoe\&建立了TCP擁塞控制的基礎，避免了擁塞崩潰的發(fā)生\&沒有快速恢復，輕度時，
擁塞窗口減小，降低吞吐量\&TCP Reno\&增加了快速恢復，輕度擁塞時保持較高的擁塞窗口\&檢測到丟包，重傳所有
丟失與檢測到所有丟失包\&TCP New Reno\&利用一個ACK確認部分發(fā)送窗口，避免過多的重傳\&在高速網(wǎng)絡中不能
有效利用帶寬\&TCP Sack\&檢測到擁塞時，選擇性的重傳包，避免不必要的重傳\&需要修改TCP接收端，
實現(xiàn)復雜\&]
2.2 IP擁塞控制方法
網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議(Internet Protcol，IP)主要是為計算機網(wǎng)絡互聯(lián)過程中的通信而設計的一種協(xié)議，因此可以說，在互聯(lián)網(wǎng)中IP規(guī)定了計算機在互聯(lián)網(wǎng)上進行通信時所遵守的規(guī)則。
典型的IP擁塞控制方法包括FIFO，F(xiàn)Q和WFQ，RED以及ECN四種類型。
先入先出原則(First Input First Output，F(xiàn)IFO)，顧名思義就是對先到達的數(shù)據(jù)包進行優(yōu)先服務，被廣泛用于隊列調(diào)度的管理方式中;FQ和WFQ，即公平排隊原則(Fair Queuing)和加權(quán)公平排隊原則(Weighted Fair Queuing)，通過識別對話例如數(shù)據(jù)流的形式，并將其按照對話形式進行分組，確保傳輸容量被這些獨立的對話公平分享，加權(quán)公平排隊可以在網(wǎng)絡擁塞發(fā)生時自動穩(wěn)定網(wǎng)絡運行，減少分組重發(fā);隨機檢測算法(Random Early Detection，RED)包括監(jiān)控隊列長度和丟棄數(shù)據(jù)包兩個部分，主要是通過對路由器中的數(shù)據(jù)包隊列長度進行實時監(jiān)控。
在發(fā)生空間占滿之前隨機的將一些數(shù)據(jù)包丟棄，從而減少進入輸出端口的數(shù)據(jù)信息量;顯示擁塞指示算法(Explicit Congestion Notifcation，ECN)，在發(fā)送端可以更好地得到擁塞通告，避免不必要的丟包事件發(fā)生。
IP網(wǎng)絡擁塞控制方法見表2。
表2 IP網(wǎng)絡擁塞控制方法
[類型\&優(yōu)點\&缺點\&FIFO\&簡單且易于實現(xiàn)\&會導致全局同步和
公平性問題\&FQ和WFQ\&可實現(xiàn)鏈路的公平分配\&需要維護每個數(shù)據(jù)流的
狀態(tài)，實現(xiàn)復雜\&RED\&早期預測擁塞，有利于
處理突發(fā)數(shù)據(jù)流\&參數(shù)確定較難，而且
穩(wěn)定性存在問題\&ECN\&通過標記，不是丟包通知
擁塞，避免不必要的丟包\&不兼容ECN的連接，會忽略通告信息。
通告信息本身可能丟失\&]
2.3 TCP/IP網(wǎng)絡擁塞控制比較
通過以上分析，可以看出TCP網(wǎng)絡擁塞控制方法主要是對在端系統(tǒng)中，對信源進行有效控制，在擁塞發(fā)生和控制過程中會產(chǎn)生一定的延遲，很有可能傳遞擁塞信息反饋在數(shù)據(jù)傳輸完成后才到達發(fā)送源端。
而IP則主要集中在網(wǎng)絡中，通過感知網(wǎng)絡擁塞的發(fā)生采取必要的控制措施，可以區(qū)分不同的發(fā)送源端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，通過隊列調(diào)度方法實現(xiàn)對帶寬的公平使用，因此，適用于短期的網(wǎng)絡擁塞控制。
TCP/IP網(wǎng)絡擁塞控制比較見表3。
3 結(jié) 語
綜上所述，TCP/IP是為廣域網(wǎng)設計的，其目的是為了解決Internet的穩(wěn)定性、易定性、各流之間享用帶寬的公平性、使用效率及擁塞控制等問題，從而為Internet提供可靠、健壯的端到端通信。
因此TCP/IP網(wǎng)絡擁塞控制就成了擁塞控制研究的重點問題。
本文通過對比分析TCP和IP擁塞控制的方法，可以看出這些擁塞控制方法都是基于傳統(tǒng)的控制理論衍生出來的，在發(fā)展過程中雖然有所改進，但是自身都會存在一定的局限性，因此缺乏一套系統(tǒng)完善的理論分析工具進行指導。
希望今后在網(wǎng)絡擁塞控制研究中引入智能控制理論，解決好擁塞算法分布性、復雜性以及對性能等方面的要求，從而取得突破性的進展。
表3 TCP/IP網(wǎng)絡擁塞控制比較
[\&TCP擁塞控制\&IP擁塞控制\&實現(xiàn)位置\&端系統(tǒng)\&網(wǎng)絡內(nèi)部\&延遲\&較大\&無\&不同數(shù)據(jù)流間的公平性\&難以實現(xiàn)\&可以實現(xiàn)\&長期擁塞\&可以處理\&無法處理\&短期擁塞\&可以處理\&較好處理\&]
參考文獻
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基于P―RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制【3】
摘 要 計算機網(wǎng)絡的盛行，讓我們的生活和工作產(chǎn)生了很大的變化，從客觀的角度來說，計算機網(wǎng)絡將不同的需求轉(zhuǎn)化為計算機語言來傳輸，在數(shù)據(jù)和軟件共同作用的情況下，進行數(shù)據(jù)傳輸以及運行工作，從而達到人們的某一種需求。
對于現(xiàn)階段的發(fā)展而言，人們往往只是注重結(jié)果，而不關注過程。
但是利用計算機來工作和達到需求，卻需要關注過程。
現(xiàn)階段的計算機語言非常豐富，在算法方面更是在不斷的深化和加強，基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制就是現(xiàn)階段的一個重要研究對象。
【關鍵詞】算法 計算機 網(wǎng)絡 TCP
基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制其實屬于一種優(yōu)化配置的研究項目，計算機自從誕生以后，就不斷的追求速度和效率，雖然使用極其復雜的語言和程序，但是執(zhí)行起來的速度卻非�？�。
很多人認為這些程序和語言在相互配合的情況下，雖然會提升運行速度，但是全部運行結(jié)束之后，很難達到理想的速度。
其實，如果我們在生活當中就可以發(fā)現(xiàn)，常用的計算機在開機的時候，只用了三十秒就啟動了幾乎一百個程序和大量的啟動項，如果說利用基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制進行工作，勢必能夠得到一個更好的效果。
在本文中，就基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制進行一定的討論。
1 概述
對于計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制來說，源端到目的端的往返傳輸時延將給TCP擁塞控制的穩(wěn)定性和快速性帶來極大的不利，基于這樣的情況，科研人員應用控制理論當中的Smith原理，并與隨機早期檢測(RED)算法相結(jié)合，提出了具有預測能力的P-RED算法，這樣一來就能夠從客觀上減少部分不利的情況，同時在在一定程度上提高工作效率。
相對來說，P--RED算法在實際的應用中，是RED算法的進化版。
基于P--RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制從主觀的角度來說，能夠讓TCP擁塞控制更加及時，同時控制的穩(wěn)定性也表現(xiàn)出了大幅度的進步。
除此之外，從理論上來分析，P--RED算法的穩(wěn)定性較高，并且導出了算法中主要參數(shù)的理論趨勢范圍。
理論上的成就對實際的工作來說，具有很強的指導作用，由于計算機網(wǎng)絡屬于高精度的一個工作項目，因此P--RED算法的理論成就能夠?qū)?shù)的設置起到較強的指導作用，這樣的好處在于，有效的保證了TCP擁塞控制的品質(zhì)。
下面，本文將詳細的闡述基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制。
2 計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制
主動隊列管理技術(shù)是在傳輸控制協(xié)議窗口控制機制基礎上發(fā)展的一種TCP擁塞控制算法，能在擁塞發(fā)生之前就對TCP源端的發(fā)送量進行控制，該技術(shù)是當今研究的熱點問題之一。
相對來說，在現(xiàn)實生活中應用計算機網(wǎng)絡的居民和工作人員，有時需要同時開啟多個窗口，在這個時候，計算機必須能夠做出快速反應，并且要為人們提供最多的信息。
計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制在實際生活、工作中的應用范圍是非常廣泛的，其中，最為簡單的AQM是尾部丟棄算法，當緩沖器中的隊列長度超過設定閾值以后，Tail--Drop算法以概率1丟棄進入的分組，否則丟棄概率為0。
通過這樣較為簡單的判定，能夠在實際運行的時候，達到一個較好的效果，由于免去了部分復雜的運算，因此很多的問題都不會發(fā)生。
通過對控制理論的闡述，我們可以得到如下結(jié)論：on--off控制機制是非常容易導致控制振蕩的因素，有Floyd等提出的隨機早期檢測算法是一種最為著名的AQM，能夠充分避免on--off控制機制的不足，具有明顯的控制效果。
因此，在今后的工作中，可以大力推廣AQM，基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制不僅僅是在P--RED算法以及TCP擁塞控制方面努力，相關的工作也能夠?qū)@項研究產(chǎn)生較大額促進作用，所以，在相關領域進行探索，能夠得到很大的助力。
3 TCP流量AQM數(shù)學模型
圖1為啞鈴型拓撲結(jié)構(gòu)的分組交換網(wǎng)絡，在本文中，主要以上圖為例，對TCP流量AQM數(shù)學模型進行一定的闡述。
從整體的情況來看，TCP流量AQM數(shù)學模型，作為整體研究工作的一個模型基礎，具有非常重要的作用。
從客觀的角度來說，基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制需要很多的模型來進行工作，TCP流量AQM數(shù)學模型就是其中之一。
常用TCP流量控制分析的、具有單一瓶頸的啞鈴型拓撲結(jié)構(gòu)分組交換網(wǎng)絡就是上圖所表達的意思。
在圖中，S表示的是源端、D表示的是目的端、SW表示的是交換節(jié)點。
在千兆位的高速網(wǎng)絡中，為了充分提高公平性以及服務質(zhì)量，很多的交換設備常常采用per--flow buffering策略，這種策略是現(xiàn)階段較為流行的一種策略。
所謂的per--flow buffering策略指的就是每一個TCP連接分配各自的緩沖區(qū)，本文主要是在per--flow buffering策略的基礎下以及下列假定的基礎上對TCP流量控制分析研究。
假定基礎并不是隨意進行假定條件的，而是在在詳細數(shù)據(jù)的支撐下，對現(xiàn)階段的一些情況進行調(diào)查后的結(jié)果。
另一方面，假定情況與實際情況具有非常密切的聯(lián)系，部分假定情況在實際的工作和生活當中，發(fā)生過很多次，利用假定的情況能夠?qū)θ蘸蟮膶嶋H運用產(chǎn)生較大的積極影響。
在本文中，假定情況如下：首先，TCP連接的目的端容量足夠大，瓶頸存在于網(wǎng)絡的中間節(jié)點。
其次，TCP流量控制僅僅考慮網(wǎng)絡過載的因素，這樣一來在處理相關問題的時候，就會體現(xiàn)出較強的針對性。
計算機網(wǎng)絡上的問題和其他行業(yè)有所不同，針對性非常的強，多數(shù)情況下，一個指令只會有一個功能。
第三，目的端一收到分組就立刻向源端發(fā)送確認信號，一定要確保在第一時間發(fā)送，否則時間上的遲疑，很有可能導致整體工作成果達不到一個理想的效果。
第四，TCP窗口及緩沖隊列長度以分組為計量單位，最重要的一點就是，所有的分組都要具有相同的長度。
采用這種方式，可以幫助進行分組比對，從而進行其他的工作。
TCP的窗口調(diào)節(jié)機制主要是基于和式增加積式減小算法，對某一對TCP連接，在護理了TCP的傳輸超時機制以后，AIMD算法的TCP流量窗口控制機制可以通過如下的公式來表達： 在整個公式當中，W(t)表示的是TCP擁塞窗口的大小;q(t)表示的是緩沖隊列的長度;C表示的是緩沖輸出速率;P表示的是分組標記或者是丟棄的概率;表示的是RTT，并且，tT為不包含緩沖排隊時間的往返時間。
從以上的闡述當中，我們可以清楚的看到，TCP流量AQM數(shù)學模型對基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制具有較大的積極影響。
另一方面，由于數(shù)學模型的精準度較高，并且能夠在很大程度上對整體工作起到促進作用，因此在日后的工作中，還需要對其進行一定的深化和加強，相對的，基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制也能夠得到一個較為積極的成果。
4 AQM的P--RED算法
基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制工作，在實際的研究當中，單單依靠數(shù)學模型，并沒有辦法達到一個特別好的效果。
現(xiàn)階段的社會進程較快，部分人群對計算機網(wǎng)絡提出了一些非同尋常的要求，無論是軍方的科研，還是太空的某項研究，都需要在原來的成果上進一步努力。
基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制的很多研究雖然在理論上可行，但是實際的情況具有很強的變動性，因此在未來的工作中，我們還需要對AQM的P--RED算法進行一定的研究，只有這樣才能保證在日后的科研工作中，獲得一個較為前沿的成果。
4.1 RED算法
對于RED算法來說，是一種典型的AQM控制算法，這種算法主要是根據(jù)緩沖器中的分組隊列長度來推測網(wǎng)絡的擁塞程度。
從客觀的角度來說，RED算法能夠較為全面的工作，由于它是通過緩沖器當中的分組隊列長度進行推測網(wǎng)絡的擁塞程度，因此較為符合現(xiàn)階段的社會發(fā)展。
隨著網(wǎng)民數(shù)量的不斷增多，RED算法的部分功能很有可能滿足不了需求，并且在龐大的數(shù)據(jù)壓力下，RED算法的一些處理方式也有可能達不到標準。
但是，科研人員在應用RED算法的時候，就已經(jīng)預見了未來的部分情況，因此現(xiàn)階段的RED算法在原來的基礎上，以一個與隊列長度成正比的概率P來標記或者丟棄進入緩沖器的分組。
從應用RED算法的情況來看，這種算法并不是特別的復雜，相對于一些較為復雜的算法，RED算法的結(jié)構(gòu)較為簡單，并且可以廣泛的使用。
但是，RED算法具有一個明顯的缺點，那就是不能克服RTT的影響，并且在調(diào)節(jié)參數(shù)的選擇上也是一個較為棘手的問題。
4.2 P--RED算法
控制理論當中的Smith補償原理是克服大純時延影響的有效手段，本文認為，要想充分解決RED算法當中的一些棘手問題，必須與上述的原理相結(jié)合。
將補償原理與RED算法結(jié)合之后，提出了具有預測能力的P--RED算法。
新提出的P--RED算法，能夠有效的克服時延RTT對AQM控制產(chǎn)生的不利影響。
P--RED原理框圖如圖2：
從以上的闡述來看，R--RED算法在原有的基礎之上進行了大量的優(yōu)化工作，同時很多的問題都能夠在P--RED算法當中找到合理的解決方法。
相對來說，基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制需要在算法上進行一定的優(yōu)化，雖然現(xiàn)階段的算法能夠在很大程度上滿足人們的需求，但是未來的計算機網(wǎng)絡必須更加高效、處理能力更強。
算法作為一個較為基礎的部分，其問題必須徹底解決。
利用以上的P--RED礦圖原理相信可以得到一個較好的效果。
另一方面，在詳細的分析礦圖原理之后，我們得出了以下結(jié)論：如果說，那么P--RED AQM控制器的輸入比就會超前時間τ，導致其控制輸出P也相應的超前了τ。
綜上所述，本文提出的P--RED算法具有一定的預測控制能力，在很大程度上可以較好的補償大時延RTT所帶來的一系列不利影響。
P--RED算法雖然在原來的基礎上進行了一定的強化，但是對于現(xiàn)階段的發(fā)展來說，P--RED算法的部分環(huán)節(jié)還是需要進一步的去優(yōu)化，提高精度，不僅僅是補償大時延RTT所帶來的不利影響，而是要徹底解決這一不利影響，這樣才能在計算機網(wǎng)絡的應用發(fā)展中，做出較大的貢獻。
5 仿真結(jié)果
基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制在現(xiàn)階段的研究當中，已經(jīng)獲得了一定的成果，將這些成果應用到實際的生活和工作以后，取得了預想的積極效果。
但是，未來的研究不法依然不能停止，否則很有可能造成現(xiàn)有的研究停滯不前。
針對基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制研究的特殊性，本文進行一定的仿真結(jié)果闡述。
通過相關的仿真結(jié)果，能夠從中分析出那些方面有所不足以及重點需要加強的部分，從而對未來的工作進行一個有效的指導。
5.1 比較動態(tài)的響應
控制TCP連接RTT的預估值與實際對應的數(shù)值相等，都設定在50ms，另一方面，將k設置為0.01/packet，同時比較在P--RED、RED、Tail--Drop算法的控制，以及q(t)的動態(tài)響應。
上述的比較方法是一種較為常用的比較方法，并且在很大程度上具有局限性。
為了保證比對結(jié)果的正確性，還要改變k值進行比對，當k=0.02packet的時候，在P--RED以及RED算法控制對q(t)的動態(tài)響應進行一定的比對。
經(jīng)過多次試驗和研究，科研人員得出了以下結(jié)論：首先，增益會不斷的提高，RED算法的振幅逐漸加大;其次，由于局限在k數(shù)值的范圍以內(nèi)，P--RED算法的控制性能較佳。
在未來的工作中，k數(shù)值會有不同的變化，如果單純的控制在某一個范圍之內(nèi)，很有可能導致計算機網(wǎng)絡的局限性增大，因此需要通過模擬不同的k數(shù)值，能夠在很大的程度上，讓基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制得到一個較好的結(jié)果。
5.2 比較魯棒性
基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制研究工作，在很多的方面都需要進行一定的努力。
仿真結(jié)果分析并不局限于上述的方面，還需要比較魯棒性。
本文認為，傳輸往返的時間會發(fā)生一定的改變，若是k=0.01/packet時，RTT的實際數(shù)值為25ms，是在控制下預估數(shù)值的0.5倍，若RTT的實際數(shù)值是75ms，實際數(shù)值仍然為25ms，控制下的預估值則為1.5倍。
兩者進行比較，結(jié)果顯示：P-RED算法在TCP連接RTT存在較大的預估值誤差的情況下，輸出響應仍然存在較小的波動，能夠迅速的收斂在平衡狀態(tài)下，顯示出P-RED算法具備良好的魯棒性。
所以，基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制研究工作不僅非�？尚�，而且在很大程度上具有實踐意義，能夠為將來的計算機網(wǎng)絡發(fā)展，產(chǎn)生較大的積極影響。
6 總結(jié)
本文就基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制進行了一定的闡述，從現(xiàn)有的情況來看，此項工作還需要進一步提高，并且徹底解決其中的問題。
今后的工作重點在于，要對相關領域進行一定的研究，通過相關領域的研究成果，能夠幫助基于P-RED算法的計算機網(wǎng)絡TCP擁塞控制研究工作更好的進行。
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