Internet的擁塞控制已經(jīng)成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)資源和流量分布的不均勻，擁塞使得數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中時(shí)延增大，丟包率上升，吞吐量下降，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量下降。近年來(lái)，應(yīng)用控制理論方法來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

    RED算法是IETF推薦使用的的AQM算法

　?。?）基本思想：通過(guò)監(jiān)控路由器輸出端口隊(duì)列的平均長(zhǎng)度來(lái)探測(cè)擁塞，一旦發(fā)現(xiàn)擁塞逼近，就隨機(jī)地選擇連接來(lái)通知擁塞，使他們?cè)陉?duì)列溢出導(dǎo)致丟包之前減小擁塞窗口，降低發(fā)送數(shù)據(jù)速度，從而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。由于RED是基于FIFO隊(duì)列調(diào)度策略的，并且只是丟棄正進(jìn)入路由器的數(shù)據(jù)包，因此其實(shí)施起來(lái)也較為簡(jiǎn)單。

　?。?）隨機(jī)早期檢測(cè)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：

　　1）化數(shù)據(jù)包丟失率和排隊(duì)延遲；

　　2）避免全局同步現(xiàn)象；

　　3）避免對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的偏見：網(wǎng)絡(luò)中含有大量的突發(fā)數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的“去尾”算法對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)有很大的偏見。偏見就是在采用“去尾”算法的路由器中，如果某個(gè)流的突發(fā)性越高，則當(dāng)該流的數(shù)據(jù)包進(jìn)入隊(duì)列時(shí)越容易造成隊(duì)列溢出，從而導(dǎo)致連續(xù)地丟棄大量的該流的包；

　　4）即使在缺乏傳輸層協(xié)議有效配合的情況下，算法也能控制平均隊(duì)列長(zhǎng)度，從而避免擁塞。為了達(dá)成以上目標(biāo)，RED采用了基于時(shí)間的平均隊(duì)列長(zhǎng)度，并且隨機(jī)地選擇正進(jìn)入路由器地分組進(jìn)行丟棄。這種方法能被有效地實(shí)施而無(wú)需在路由器中維持每個(gè)流（per-flow）的狀態(tài)信息。

　?。?）RED算法主要分為兩個(gè)部分：首先是計(jì)算平均隊(duì)列長(zhǎng)度，以此作為對(duì)擁塞程度的估計(jì)。另一個(gè)就是計(jì)算丟棄分組的概率。

　?。?）算法優(yōu)缺點(diǎn)：1993年， Floyd 和Jacobson就提出了RED,當(dāng)時(shí)的主要目的是克服“早期隨機(jī)丟棄”（Early Random Drop , ERD）網(wǎng)關(guān)偏袒突發(fā)業(yè)務(wù)而造成的不公平問(wèn)題。 RED為隊(duì)列管理增添了兩種新機(jī)制，其一，不是等隊(duì)列全滿后再丟棄到來(lái)的分組，而是利用概率判定機(jī)制事先丟掉部分分組來(lái)預(yù)防可能發(fā)生的擁塞；其二，通過(guò)平均隊(duì)列而非即時(shí)隊(duì)列調(diào)整分組丟棄概率，由此來(lái)盡可能地吸收部分短暫的突發(fā)流量。RED算法的性能敏感于設(shè)計(jì)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)狀況，在特定的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況下依然會(huì)導(dǎo)致多個(gè)TCP的同步，造成隊(duì)列震蕩，吞吐量降低和時(shí)延抖動(dòng)加劇。RED算法的公平性和穩(wěn)定性也存在問(wèn)題。自RED被首次提出來(lái)之后，它的參數(shù)配置就是一個(gè)沒有徹底解決的問(wèn)題。

　　但研究及實(shí)踐均發(fā)現(xiàn)， RED算法的魯棒性和穩(wěn)定性并不十分理想， 其性能對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)很敏感。另外，由于TCP鏈路的物理差別，傳播時(shí)延也有較大的波動(dòng)。但已有的大多數(shù)算法和策略都沒有充分考慮大時(shí)滯對(duì)AQM穩(wěn)定性的影響，從而導(dǎo)致了大時(shí)滯網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的劇烈的系統(tǒng)震蕩，降低了鏈路利用率?，F(xiàn)代時(shí)滯系統(tǒng)分析技術(shù)基于嚴(yán)格的理論推導(dǎo)與證明，將時(shí)滯分析技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究是可行的，并且為深入研究網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和系統(tǒng)穩(wěn)定性提供幫助。

　　本文基于TCP/AQM流體動(dòng)力學(xué)模型，從H∞控制理論的觀點(diǎn)出發(fā)，將TCP流個(gè)數(shù)的擾動(dòng)作為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載來(lái)考慮，基于LMI方法設(shè)計(jì)了具有時(shí)滯反饋的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞擁塞控制器，由控制器得到的數(shù)據(jù)包分組丟棄概率的變化不僅與隊(duì)列的變化率有關(guān)，還與窗口的變化率有關(guān)，并進(jìn)一步說(shuō)明該控制器為基于平均隊(duì)列長(zhǎng)度估計(jì)的預(yù)測(cè)控制器。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器在高速網(wǎng)絡(luò)中具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。

　　1 TCP/AQM反饋控制系統(tǒng)

　　Misra等人基于流體動(dòng)力學(xué)提出了TCP/AQM系統(tǒng)模型[1]，用一對(duì)非線性微分方程表示：

　　則TCP/AQM系統(tǒng)模型可化為如下形式的反饋控制系統(tǒng)：

　　證明：

　?。?）如果定理中LMI成立，則系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的；由式（9），利用Schur補(bǔ)性質(zhì)可得出式（7），從而由引理1可證得無(wú)擾動(dòng)時(shí)式（4）漸近穩(wěn)定。

　　則定理2得證。另外由于式（15）為L(zhǎng)MI，因此將網(wǎng)絡(luò)參數(shù)代入即可求解。

　　2.3  H∞網(wǎng)絡(luò)擁塞控制器的參數(shù)估計(jì)

　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)，由系統(tǒng)參數(shù)之間的相互關(guān)系，通過(guò)解LMI式（15）及式（16）可得出k和γ的值，此時(shí)AQM/TCP系統(tǒng)的H∞擁塞控制器的形式為：

    3 性能仿真

　　隊(duì)列長(zhǎng)度變化及窗口大小的變化見圖1和圖2，可以看出，所設(shè)計(jì)的擁塞控制器在大時(shí)滯環(huán)境下比RED算法獲得了更穩(wěn)定的隊(duì)列變化；并且窗口變化平緩，鏈路利用率高，具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。

　　針對(duì)大多數(shù)傳統(tǒng)AQM算法和策略沒有充分考慮大時(shí)延對(duì)AQM穩(wěn)定性影響的問(wèn)題，本文基于LMI方法設(shè)計(jì)了一種H∞網(wǎng)絡(luò)擁塞控制器，由控制器得到的數(shù)據(jù)包分組丟棄概率的變化不僅與隊(duì)列的變化率有關(guān)，還與窗口的變化率有關(guān)，并進(jìn)一步說(shuō)明該控制器為基于平均隊(duì)列長(zhǎng)度估計(jì)的預(yù)測(cè)控制器。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器在高速網(wǎng)絡(luò)中具有較高的鏈路利用率和很好的隊(duì)列穩(wěn)定性，并且具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性能。