??? 摘 要：提出了一種基于動態閾值的AQM策略DS-RED，主要思想是在緩存中設置一個動態門限控制包的丟失率，使得緩存可以動態地分配給各個數據流，可以根據各個數據流的不同Qos要求，對其進行有區別的服務，以更好地滿足網絡Qos要求，從而提高網絡網絡資源的利用率。
??? 關鍵詞：擁塞控制；主動隊列管理；丟包率；區分服務
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??? 目前，互聯網上已經廣泛使用TCP滑動窗口進行端到端的擁塞控制。但是，隨著網絡用戶的增加和所承載業務流的多元化，端到端擁塞控制正面臨著嚴峻的挑戰。而路由器是互聯網的核心實體,也是網絡擁塞狀態最直接的感受者,因而充分發揮路由器在擁塞控制中的作用也是解決擁塞控制問題的有效思路。而且路由器可能更及時，甚至能夠提前了解網絡的狀態，并依此實施有效的資源管理策略，保證網絡能有效地避免擁塞或盡早從嚴重的擁塞狀態中恢復過來。
??? 本文研究的重點是路由器擁塞控制中的隊列管理，隊列管理通過選擇何時丟棄何種業務流分組來控制隊列長度。
1 主動隊列管理
1.1 Tail Drop
??? 路由器中最常用的隊列管理策略是“尾丟棄”（Tail Drop），從擁塞控制的角度分析，它是一種擁塞恢復機制，也是一種被動隊列管理。但它有3個嚴重缺陷：持續的滿隊列狀態；業務流對緩存的死鎖；業務流的全局同步。針對這些問題，提出用“首丟棄”和“隨機丟棄”對死鎖和全局同步比較有效，但沒有解決持續的滿隊列問題。近年來有學者提出主動隊列管理AQM（Active Queue Management）[1-2]讓路由器在擁塞發生前就采取一些預防措施，使得滿隊列問題比較有效地得到解決。
??? AQM策略試圖通過估算在某點的擁塞并且在緩沖區滿之前通過丟棄數據包來進行標記。相應的擁塞控制策略能夠減小它的傳輸速率。這樣可以避免更加嚴重的擁塞，且試圖降低包的丟失率，保持較低的平均隊列長度。一個AQM算法由兩部分組成：判斷擁塞的發生和決定該丟棄哪些包。所以它的性能依賴于是積極的還是保守的判斷擁塞的發生，怎樣根據判斷結果主動地丟棄數據包。
1.2 RED
??? 去尾算法考慮的是擁塞發生后如何恢復，如果在擁塞發生前就采取措施，則可以解決滿隊列問題。AQM正是設計用來克服網絡中的Tail Drop隊列的缺點。而RED是最早提出的一種AQM算法。
??? RED算法是基于擁塞避免的思路，不是等緩存滿后再丟棄到達的分組，而是利用標記概率事先丟掉部分分組來預防擁塞的發生。同時，RED 算法不是采用源抑制策略，立刻把反饋信息返回給發送端，而是通過設置標志位提示接收端，再由接收端傳遞給發送端；而且，RED通過平均隊列而非即時隊列來調整分組的丟失率，以盡可能地吸收部分短暫的突發流。在隊列頻繁接近于滿緩存時， RED的丟包率明顯小于丟尾隊列。
??? 圖1所示是對兩種算法的仿真曲線圖。由結果可以得出：隨著流量的增加，兩種算法都產生了不同程度上的延遲，且在高負載的情況下，去尾算法由于全局同步而使隊列震蕩加劇[3-4]。
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2 設計方案
??? RED算法及很多的改進算法，都不能夠對不同Qos要求的服務提供有區別的服務，這樣就不能很好地保證高服務質量要求的服務。本文中，提出了一種可以實現區分服務的算法DS-RED（Different Serve RED），在緩存中設置一個動態門限來控制包的丟失率，使得緩存可以動態地分配給各個數據流，可以根據各個數據流的不同Qos要求，動態地調整網絡資源，從而提高網絡網絡資源的利用率。可以通過設置一個門限值，然后根據高低優先級包的丟失情況來動態調整這個門限值，使得不同的Qos要求的服務得到有區別的對待，并且高低優先級包丟棄達到一個均衡。使網絡資源得到更加充分的利用。
2.1 算法設計目標
??? (1)擁塞避免與擁塞控制。實驗表明要維持網絡中的高吞吐量和低延遲，就必須進行擁塞避免；作為擁塞避免失敗的補救措施，必須在路由器上實施擁塞控制，以避免網絡中擁塞崩潰的發生；
??? (2)實現各數據流區分服務。在緩存中設置一個動態門限來控制包的丟失率，使得緩存可以動態地分配給各個數據流，可以根據各個數據流的不同Qos要求，動態調整網絡資源，從而提高網絡資源的利用率，它可以通過設置一個門限值，然后根據高低優先級包的丟失情況來動態調整這個門限值，使得不同的Qos要求的服務得到有區別的對待，并且高低優先級包丟棄達到均衡。
2.2 算法思想
??? 為高、低優先級數據流分別設置丟失計數器ch和cl，每個計數器指定一個丟失增量，例如為kh、kl。當ch每增加kh將會引起門限減少一定值；而cl每增加kl將會引起門限減少一定值。這樣如果太多高優先級數據包丟失，增大低優先級數據包丟棄概率的門限值就會減少，以減少低優先級數據包的緩存空間；反過來，如果太多低優先級數據包丟失，門限就會增加。使得高低優先級包丟棄達到一個均衡。使網絡資源得到更加充分地利用。
3 與RED算法的性能比較
??? 為了比較RED和新算法的性能,進行網絡仿真，仿真使用的網絡拓撲結構如圖2所示。
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??? S1和S2為數據發送源端，其中假定S1發送高優先級數據流，S2發送低優先級數據流，D1和D2為接收端。瓶頸鏈路位于路由器1和2之間,其鏈路容量為64 kb/s，其余鏈路的容量為10 Mb/s，各主動隊列管理算法設置在路由器1上。仿真時間為20 s，路由器的緩沖區大小為50個數據包。以上介紹的各種算法的參數設置如下：RED基本參數設置為min_th=5, max_th=15, max_p=0.02。對于本文提出的方案DS-RED 參數設置為 min_th=5, max_th=15, max_p=0.2。下面分別采用恒定速率和文件傳輸FTP的模型對以上的仿真模型進行測試[5-6]，仿真結果分別如圖3和圖4所示。
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??? 由仿真結果可以看到，在恒定速率下，兩種算法的丟棄概率是差不多的，但是在FTP文件傳輸的情況下，使用改進后的算法高優先級數據包的丟棄概率明顯降低，而低優先級數據包丟棄概率相應升高。而改進之前的高優先級數據包的丟棄概率高于低優先級的丟棄概率，改進之后高優先級數據包的概率明顯低于丟優先級的數據包的丟棄概率，而且改進后的算法在時間延遲方面也有了明顯改善。
??? 如何減少網絡中的丟包率，提高鏈路的利用率，降低傳輸時延，防止網絡崩潰對網絡研究來說是很重要的。當數據包在到達接點前就被丟掉或者是鏈路長時間處于空閑狀態或者大量不必要的數據包重傳都會造成網絡資源的大量浪費。所以網絡的擁塞控制的研究也就變得至關重要。
??? 通過MATLAB仿真，將該方法與RED算法進行性能比較，結果表明，改進后的擁塞控制機制能夠提供區分服務，更好地滿足Qos要求。
參考文獻
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